DE102006025658B4 - Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung zur kryogenen Speicherung von Kraftstoff - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung zur kryogenen Speicherung und Förderung von Kraftstoff, zur Versorgung eines Verbrauchers, insbesondere einer ein Kraftfahrzeug antreibenden Brennkraftmaschine, wobei die Vorrichtung mindestens einen Kryotank mit einer Befüll- und Entnahmeeinrichtung und mit mindestens einem Druckentlastungsventil umfasst, das beim Erreichen eines vorgegebenen Grenzdrucks, dem Boil-off-Druck, zum Abblasen gasförmigen Mediums aus dem Kryotank öffnet, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckentlastungsventil, angesteuert von einer Steuereinrichtung, zwischen mindestens zwei verschiedenen Abblasedruckniveaus umgeschaltet werden kann.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung zur kryogenen Speicherung von Kraftstoff, insbesondere zur Versorgung einer ein Kraftfahrzeug antreibenden Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs. Zum technischen Umfeld wird auf die DE 10 2004 011 653 A1 verwiesen.
• Kraftstoffe zum Antrieb von Kraftfahrzeugen, wie bspw. Wasserstoff oder Erdgas oder dgl. können, um die geforderten volumetrischen und gravimetrischen Speicherdichten zu erreichen, praktisch nur verflüssigt und somit stark abgekühlt gespeichert werden. Der tiefkalte, flüssige Wasserstoffvorrat wird im Fahrzeug im siedenden oder nahe dem siedenden Zustand in dem thermisch sehr gut isolierten, druckdichten Behälter gespeichert. Die physikalische Dichte des siedenden Wasserstoffs wird dabei durch Lagerung bei einer Temperatur wenig über der Siedetemperatur bei Umgebungsdruck, ca. 20 K, maximal. In den heute technisch umgesetzten Vorratsbehältern liegt der Wasserstoff typischerweise bei Temperaturen von ca. 21 K bis ca. 27 K und den damit korrespondierenden Siededrücken von ca. 2 bar (abs.) bis ca. 5 bar (abs.) vor. Im unteren Teil des Vorratsbehälters liegt der siedende Wasserstoff als massedichtere flüssige Phase (LH2) und darüber liegend als gasförmige Phase (GH2) vor. Es ist sowohl eine gasförmige als auch eine flüssige Entnahme des Wasserstoffs aus dem Speicherbehälter möglich und sinnvoll. Durch Wasserstoffentnahme im Betrieb des Speichers bei Versorgung der Brennkraftmaschine nach einer Druckaufbauphase wird der Speicherdruck bis zum Erreichen des Speicher-Betriebsdrucks ohne gezielten Wärmeeintrag abgebaut. Wegen der bei Flüssigentnahme geringeren Enthalpieabfuhr und des dadurch bedingten langsameren Druckabbaus, ist hierfür eine Entnahme aus der Gasphase (Gasentnahme) sinnvoll.
• Bei dieser kryogenen Kraftstoffspeicherung verdampft jedoch durch Wärmeeintrag in den Kraftstoff-Tank kontinuierlich eine geringe Menge von flüssigem Kraftstoff. Dadurch erhöht sich der Druck im Kraftstoff-Tank, bis der für diesen eingestellte Grenzwert, auch Boil-Off-Druck genannt, erreicht ist und der weiter verdampfende Kraftstoff als so genanntes Boil-Off-Gas aus dem Kraftstoff-Tank abgeblasen werden muss. Insbesondere wenn kein Verbraucher für den Kraftstoff in Betrieb ist, d.h. insbesondere dann, wenn die Brennkraftmaschine außer Betrieb ist, steigt als Folge des Wärmeeintrags ohne Entnahme der Tank-Innendruck an. Aus Sicherheitsgründen muss dieser Druck durch Öffnen von Ventilen begrenzt werden. Im allgemeinen wird dabei das Boil-Off-Gas über Abblaseleitungen, in denen die besagten Ventile vorgesehen sind, in die Umgebung abgegeben. Die Wahl des Betriebsdrucks im Kraftstoff-Tank und des Druckhubs zwischen Betriebsdruck und Boil-Off Druck bestimmen neben der Größe des Wärmeeintrags maßgeblich die verlustfreie Druckaufbauzeit.
• Wasserstoff im Besonderen weist physikalisch eine hohe gravimetrische Energiedichte (Energie pro Masse), aber eine niedrige volumetrische Energiedichte (Energie pro Volumen) auf. Dies führt zu hohen Speichervolumina für eine definierte zu speichernde Energiemenge. Dabei weist Wasserstoff seine höchste volumetrische Energiedichte bei kryogenen Temperaturen in der flüssigen Phase oder bei extrem hohen Drücken in der Gasphase auf. Bei flüssiger kryogener Speicherung ist ein möglichst niedriger Speicherdruck von Vorteil, da die Dichte des flüssigen gesättigten Wasserstoffs mit sinkendem Druck zunimmt. Bei Drücken nahe dem Umgebungsdruck ließe sich daher die bestmögliche realisierbare Speicherdichte und damit die höchste volumetrische Energiedichte erreichen und zudem der Druckhub zwischen Speicherdruck bei Start einer Betriebspause und dem nach langer Betriebspause durch Wärmeeintrag erreichten Boil-Off Druck erhöhen. Ein kryogener Speicherbehälter mit vorgegebenem Speichervolumen kann daher bei niedrigem Druck die maximale Kraftstoffmenge (Energiemenge) flüssigen Wasserstoffs speichern und eine vergleichsweise lange verlustfreie Druckaufbauzeit erreichen.
• Einem gewünschten niedrigen Druck des flüssigen Wasserstoffs im Speicher steht allerdings die Druckanforderung der Brennkraftmaschine gegenüber, die bei Eigendruckbereitstellung aus dem Speicher (ohne zusätzliche Druckerzeugung) den minimal möglichen Speicherdruck festlegt.
• Durch Absenken des Boil-Off Drucks kann die Standzeit des Kraftstoffspeichers erhöht werden, das heißt die Zeit vom Abstellen des Fahrzeugs mit halbvollem Speicher bis zu einer Boi-Off bedingten Restmenge von 0,5kg nutzbarem Kraftstoff im Speicher, wobei gleichzeitig die verlustfreie Druckaufbauzeit sinkt. Durch Erhöhen des Boil-Off Drucks kann die verlustfreie Druckaufbauzeit verlängert werden, wobei gleichzeitig die Standzeit des Kraftstoffspeichers verringert wird.
• Daher ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung zur kryogenen Speicherung und Förderung von Kraftstoff bereitzustellen, das es ermöglicht, eine optimale Betriebsstrategie zu verwirklichen, in der Weise, dass immer entweder die verlustfreie Parkzeit oder die Standzeit des Kryotanks erhöht werden kann.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Verfahrensschritten des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.
• Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung zur kryogenen Speicherung und Förderung von Kraftstoff, zur Versorgung eines Verbrauchers, insbesondere einer ein Kraftfahrzeug antreibenden Brennkraftmaschine, bereit, wobei die Vorrichtung mindestens einen Kryotank mit einer Befüll- und Entnahmeeinrichtung und mit mindestens einem Druckentlastungsventil umfasst, das beim Erreichen eines vorgegebenen Grenzdrucks, dem Boil-off-Druck, zum Abblasen gasförmigen Mediums aus dem Kryotank öffnet. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Druckentlastungsventil, angesteuert von einer Steuereinrichtung, zwischen mindestens zwei verschiedenen Abblasedruckniveaus umgeschaltet werden kann.
• Dadurch ist es möglich, dass der Boil-Off-Druck, also die Abblasedruckgrenze des Kryotanks, variabel, das heißt bei mindestens zwei verschiedenen Abblasedruckniveaus, eingestellt werden kann. Durch Absenken des Boil-Off Drucks kann die Standzeit des Kraftstoffspeichers erhöht werden, wobei gleichzeitig die verlustfreie Druckaufbauzeit sinkt. Durch Erhöhen des Boil-Off Drucks kann die verlustfreie Druckaufbauzeit verlängert werden, wobei gleichzeitig die Standzeit des Kraftstoffspeichers verringert wird. Durch Verlängerung der Standzeit kann außerdem eine Erwärmung des Speichers nach dem vollständigen Kraftstoffverlust durch Boil-Off verzögert und damit eine Warmbetankung vermieden bzw. aufgeschoben werden.
• Eine weiterhin vorteilhafte Ausführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das Umschalten zwischen den mindestens zwei verschiedenen Boil-Off-Drücken durch Ansteuern von mindestens zwei Druckentlastungsventilen mit voneinander unterschiedlich eingestellten Grenzdrücken erfolgt.
• Werden als Stellorgan zur Einstellung des Betriebsdrucks im Kryotank mehrere diskrete Ventile mit festem, unterschiedlichem Abblasegrenzdruck verwendet, die wahlweise von der Steuereinrichtung ausgewählt werden, ist der Aufbau der Vorrichtung einfach ausgeführt und preiswert herzustellen. Alternativ dazu kann ein Ventil, das sich durch eine geeignete Verstelleinrichtung auf einen variablen Ansprechdruck einstellen lässt oder ein Ventil mit Durchsatzbegrenzung, das im Zweipunkt-Betrieb geschaltet wird, verwendet werden.
• Bei einem weiteren vorteilhaften Verfahren ist ein Umschaltventil vorgesehen, das, angesteuert von der Steuereinrichtung, mindestens zwischen einer ersten Leitung zu einem ersten Druckentlastungsventil und einer zweiten Leitung zu einem zweiten Druckentlastungsventil umschaltet. Durch Umschalten zwischen den beiden Druckentlastungsventilen unterschiedlichen Betriebsdrucks, kann dann der Boil-Off-Druck im Kryotank höher oder niedriger gewählt werden
• Desweiteren ist bei allen Verfahrensvarianten von Vorteil, wenn mindestens ein Überdruck-Sicherheitsventil so angeschlossen ist, dass beim Erreichen eines Grenzdrucks über dem Boil-off-Druck, gasförmiges kryogenes Medium aus dem Kryotank abgeblasen wird.
• Wenn dann mindestens ein zweites Überdruck-Sicherheitsventil so angeschlossen ist, dass beim Erreichen eines Grenzdrucks über dem Boil-off-Druck, gasförmiges und/oder flüssiges kryogenes Medium aus dem Kryotank abgeblasen wird, ist auch im Falle eines Unfalls mit Überschlag dafür gesorgt, dass Überdruck im Kryotank günstig abgebaut werden kann.
• Wie oben aufgezeigt, ist je nach zu erwartendem Betriebsverhalten ein anderer Boil-Off-Druck optimal. Dazu kann das wahrscheinlich zu erwartende Betriebsverhalten entweder durch Fahrerwahl oder adaptiv erfasst werden.
• Bei der Fahrerwahl hat der Fahrer beispielsweise am Ende einer Fahrt die Möglichkeit, mittels eines Eingabeelements, zum Beispiel durch einen Schalter oder durch Spracheingabe, seinen Betriebswunsch einzugeben. Entsprechend diesem Wunsch wählt dann die Steuereinrichtung die optimale Druckstrategie aus.
• Beim adaptiv erfassten Betriebsverhalten beobachtet die Steuereinrichtung des Fahrzeugs über einen längeren Zeitraum hinweg das Nutzerverhalten. Dabei können Parameter wie Betriebsverhalten anderer Verbraucher (z.B. einer Brennstoffzelle), Wochentag, Außentemperatur usw. mit in die Analyse des Verhaltens einbezogen werden. Dieses Nutzungsprofil wiederum ist die Basis für eine Betriebsstrategie, die den Boil-off-Druck entsprechend des zu erwartenden Betriebsverhaltens einstellt. Das Nutzerverhalten kann entweder global für das Fahrzeug abgespeichert werden oder fahrerbezogen in Abhängigkeit einer Identifikationseinrichtung wie Fahrzeugschlüssel (Key-Memory) oder Speicherkarte. Die Einstellung des Boil-Off-Drucks kann entweder zu Beginn einer Boil-Off-Phase erfolgen oder während der Boil-Off-Phase schrittweise oder kontinuierlich vorgenommen werden.
• Die optimale Betriebsstrategie kann somit insgesamt dazu führen, dass immer entweder die verlustfreie Parkzeit oder die Standzeit erhöht werden kann.

Claims (7)

1. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung zur kryogenen Speicherung und Förderung von Kraftstoff, zur Versorgung eines Verbrauchers, insbesondere einer ein Kraftfahrzeug antreibenden Brennkraftmaschine, wobei die Vorrichtung mindestens einen Kryotank mit einer Befüll- und Entnahmeeinrichtung und mit mindestens einem Druckentlastungsventil umfasst, das beim Erreichen eines vorgegebenen Grenzdrucks, dem Boil-off-Druck, zum Abblasen gasförmigen Mediums aus dem Kryotank öffnet, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckentlastungsventil, angesteuert von einer Steuereinrichtung, zwischen mindestens zwei verschiedenen Abblasedruckniveaus umgeschaltet werden kann.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschalten zwischen den mindestens zwei verschiedenen Abblasedruckniveaus durch Ansteuern von mindestens zwei Druckentlastungsventilen mit voneinander unterschiedlich eingestellten Grenzdrücken erfolgt.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Umschaltventil vorgesehen ist, das, angesteuert von der Steuereinrichtung, mindestens zwischen einer ersten Leitung zu einem ersten Druckentlastungsventil und einer zweiten Leitung zu einem zweiten Druckentlastungsventil umschaltet.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Überdruck-Sicherheitsventil so angeschlossen ist, dass beim Erreichen eines Grenzdrucks über dem Boil-off-Druck, gasförmiges kryogenes Medium aus dem Kryotank abgeblasen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zweites Überdruck-Sicherheitsventil so angeschlossen ist, dass beim Erreichen eines Grenzdrucks über dem Boil-off-Druck, gasförmiges und/oder flüssiges kryogenes Medium aus dem Kryotank abgeblasen wird.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Boil-off-Druck entsprechend eines zu erwartenden Betriebsverhaltens eingestellt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das zu erwartende Betriebsverhalten erfasst wird durch Fahrerwahl oder adaptiv.