EP4491933A1 - Wasserstofftankanlage und verfahren zur ausgabe von kryogenem wasserstoff - Google Patents

Wasserstofftankanlage und verfahren zur ausgabe von kryogenem wasserstoff Download PDF

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EP4491933A1
EP4491933A1 EP23184888.8A EP23184888A EP4491933A1 EP 4491933 A1 EP4491933 A1 EP 4491933A1 EP 23184888 A EP23184888 A EP 23184888A EP 4491933 A1 EP4491933 A1 EP 4491933A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
hydrogen
stream
cryogenic
line
tank
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23184888.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Umberto Cardella
Christian Forstner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Cryomotive GmbH
Original Assignee
Cryomotive GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Cryomotive GmbH filed Critical Cryomotive GmbH
Priority to EP23184888.8A priority Critical patent/EP4491933A1/de
Priority to PCT/EP2024/068630 priority patent/WO2025012033A1/de
Publication of EP4491933A1 publication Critical patent/EP4491933A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C5/00—Methods or apparatus for filling containers with liquefied, solidified, or compressed gases under pressures
    • F17C5/02—Methods or apparatus for filling containers with liquefied, solidified, or compressed gases under pressures for filling with liquefied gases
    • F17C5/04—Methods or apparatus for filling containers with liquefied, solidified, or compressed gases under pressures for filling with liquefied gases requiring the use of refrigeration, e.g. filling with helium or hydrogen

Definitions

  • a method for dispensing cryogenic hydrogen from a hydrogen tank system, a hydrogen tank system for dispensing cryogenic hydrogen, a cryopump system for conveying a flow of cryogenic hydrogen from a liquid hydrogen tank to a dispensing line, and a use of a heat exchanger for removing heat from a cryopump system are provided.
  • the embodiments are therefore particularly in the field of hydrogen tank systems.
  • the object is to provide a hydrogen tank system, a cryopump system, a use of a heat exchanger and a method for dispensing cryogenic hydrogen from a hydrogen tank system, which enrich the state of the art and optionally avoid disadvantages of the state of the art.
  • a method for dispensing cryogenic hydrogen from a hydrogen tank system having a liquid hydrogen tank, a cryopump system and a dispensing line comprises conveying a first stream of cryogenic hydrogen via a conveying line by means of the cryopump system from the liquid hydrogen tank to the dispensing line.
  • the method is characterized in that it further comprises a Removing a second cryogenic stream of cryogenic hydrogen from the liquid hydrogen tank via a cooling line.
  • the method further comprises cooling the cryopump system and/or further components of the hydrogen tank system and/or an output stream of the cryopump system and/or the output line by means of the second stream of cryogenic hydrogen, and at least partially returning the second stream of hydrogen to the liquid hydrogen tank after cooling the cryopump system and/or the output stream of the cryopump system and/or the output line.
  • a cryopump system for conveying a first stream of cryogenic hydrogen from a liquid hydrogen tank to a discharge line.
  • the cryopump system comprises a conveying inlet for supplying the first stream of cryogenic hydrogen from the liquid hydrogen tank, and a conveying outlet for conveying the first stream of cryogenic hydrogen into the discharge line.
  • the cryopump system comprises a heat exchanger with a cooling inlet and a cooling outlet, wherein the heat exchanger is designed to be The second stream of cryogenic hydrogen from the liquid hydrogen tank fed to the cooling inlet dissipates heat from the cryopump system into the liquid hydrogen tank via the cooling outlet.
  • a hydrogen tank system is a tank system for dispensing hydrogen to consumers, such as hydrogen-powered vehicles and/or for filling storage containers for hydrogen, in particular for cryo-compressed hydrogen.
  • the liquid hydrogen tank is a tank for storing hydrogen, whereby the stored hydrogen is stored partially or completely in liquid form.
  • the release of hydrogen for example during a refueling process, can optionally include the release of cryo-compressed, liquid and/or gaseous hydrogen.
  • a cryopump system is a pump system that is suitable or designed for the conveying and compression of cryogenic hydrogen.
  • the cryopump system can include a pump and optionally other components include, for example, one or more devices for cooling the pump and/or other elements with which the cryogenic hydrogen comes into thermal contact during delivery.
  • the cryopump system can be connected to the liquid hydrogen tank via the delivery line and can suck in the cryogenic hydrogen for delivery and compression via the delivery line.
  • the cryopump system can also be connected via the output line to an interface for the refueling process of one or more consumers, for example to one or more fuel pumps to which the sucked-in hydrogen is delivered by the cryopump system.
  • the cooling line is not identical to the delivery line.
  • the delivery line can be designed separately from the cooling line.
  • the delivery line and the cooling line can run adjacent to each other and/or parallel and/or be thermally insulated from the environment.
  • the cooling line can at least partially wind around the delivery line in a spiral and/or surround it concentrically.
  • the cooling line can be used to provide hydrogen from the liquid hydrogen tank for the purpose of cooling the cryopump system and/or the output stream of the cryopump system and/or the output line by means of the second stream of cryogenic hydrogen, whereby the output and/or consumption of the hydrogen extracted via the cooling line does not necessarily have to be provided.
  • the hydrogen extracted via the cooling line is fed directly or indirectly back to the liquid hydrogen tank in order to maintain the optimal delivery pressure.
  • the fact that at least a partial return of the second stream of hydrogen to the liquid hydrogen tank takes place after cooling the cryopump system and/or the output stream of the cryopump system and/or the output line means that at least a portion of the hydrogen is returned again, while optionally another portion of the hydrogen can be used for another purpose.
  • the cooling line can be designed to be vacuum-insulated.
  • the heat exchanger is a device for transferring heat from the cryopump system and/or from the output stream of the cryopump system and/or from the output line to the second stream of cryogenic hydrogen and optionally for removing the transferred heat.
  • the heat exchanger can thus be in thermal contact with the cryopump system and/or the output stream of the cryopump system and/or that of the output line.
  • the disclosure offers the advantage that components of the hydrogen tank system with which the cryogenic hydrogen comes into contact during the refueling process can be efficiently cooled.
  • the cryopump system and/or lines up to the filler neck, as well as the hydrogen to be dispensed itself, can thus be efficiently cooled.
  • This makes it possible to maximize the density of the dispensed hydrogen to over 80 kg/m 3 , whereby the dispensed hydrogen can be stored at high density and a high mass flow of the dispensed hydrogen can be achieved.
  • the disclosure therefore offers the advantage that even motor vehicles that have to absorb and/or store the hydrogen at a particularly high density can be refueled with hydrogen.
  • This can offer the advantage that commercial vehicles, such as trucks, can also be efficiently supplied with hydrogen from a hydrogen tank system according to the disclosure, since large quantities of hydrogen can be refueled in a shorter time than is possible in the prior art.
  • the disclosure offers the advantage that the hydrogen that heats up and optionally evaporates during the cooling of the cryopump system, the output line and/or the output stream is not lost to the environment, but can be at least partially fed back into the liquid hydrogen tank in order to keep it at an equilibrium pressure that would otherwise have to be ensured by additional heat supply.
  • the cold from the evaporation of liquid hydrogen for cooling is therefore not completely lost to the ambient air, but is used for refueling in a thermodynamically optimized manner.
  • a hydrogen tank system according to the disclosure can either dispense with an external pressure build-up heat exchanger entirely or work with a smaller pressure build-up heat exchanger.
  • the disclosure offers the advantage that technically simple cryopumps can be used, since the cryopumps do not necessarily have to be arranged and/or operated in direct contact with liquid hydrogen. This allows the costs for the provision, operation and/or maintenance of the hydrogen tank system to be kept low. Thus, very high hydrogen refueling densities can be achieved using robust, simple cryopumps (e.g. cryogenic piston pumps) without having to use structurally very complex, maintenance-intensive and expensive cryopumps.
  • robust, simple cryopumps e.g. cryogenic piston pumps
  • the method may further comprise dispensing the output stream of cryogenic hydrogen from the dispensing line in the form of liquid hydrogen or cryo-compressed hydrogen.
  • the dispensing may optionally be carried out via a fuel pump.
  • the dispensed hydrogen may optionally be stored in a hydrogen tank of a consumer, such as a motor vehicle, or in another storage tank.
  • the output of the output stream can be carried out by outputting the cryogenic hydrogen with a density of the cryogenic hydrogen of at least 75 kg/m 3 , optionally even 80 kg/m 3 .
  • This can be made possible in particular by the cryopump system and/or the output stream and/or the output line and/or optionally further Components of the hydrogen filling station with which the cryogenic hydrogen comes into thermal contact are cooled.
  • the output stream with such a high density can enable the refueling of storage tanks and/or consumers that require a particularly high density of hydrogen for storage, such as commercial vehicles with a long range.
  • the refueling process can optionally be shortened in time compared to dispensing with lower densities.
  • the method can further comprise regulating and/or controlling the removal of the second cryogenic stream of cryogenic hydrogen from the liquid hydrogen tank.
  • the regulating and/or controlling can be carried out using a pressure and/or a temperature and/or a mass flow of the output stream of cryogenic hydrogen. This can enable precise setting of the desired temperature and/or density of the hydrogen delivered during the refueling process. This can therefore offer the advantage that the refueling process takes place under predetermined conditions and can be standardized accordingly.
  • this can be used to vary a temperature and/or density of the output stream of hydrogen between refueling processes and/or during a refueling process. This can achieve great flexibility with regard to the consumers to be refueled.
  • Control valves can be controlled to enable the most optimized refueling possible with high mass flows and high refueling density and optionally at a constant pressure in the liquid hydrogen tank.
  • the temperature of the output flow of the cryopump system can also be optionally controlled. This enables lower outlet temperatures at the cryopump and higher refueling densities than is conventionally possible.
  • Cooling the cryopump system and/or the output stream of the cryopump system and/or the output line by means of the second stream of cryogenic hydrogen can comprise feeding the second stream of cryogenic hydrogen into a heat exchanger of the cryopump system so that the second stream of cryogenic hydrogen absorbs heat from the cryopump system.
  • This can enable efficient removal of heat by means of the second stream of cryogenic hydrogen.
  • this can offer the advantage that when the heat is absorbed by the second stream of cryogenic hydrogen, it can evaporate without being lost to the environment. Rather, the hydrogen can also be held in a line system of the heat exchanger and/or in the return line in this case.
  • the second stream of hydrogen can be partially or completely in gaseous form after cooling the cryopump system and/or the output stream of the cryopump system and/or the output line. In other words, the second stream of cryogenic hydrogen can evaporate during cooling.
  • the removal of the second cryogenic stream of hydrogen and/or the cooling of the cryopump system and/or an output stream of the cryopump system and/or the output line by means of the second stream of cryogenic hydrogen can take place during a refueling process, i.e. simultaneously or with a temporal overlap, and/or between successive refueling processes.
  • This can offer the possibility of keeping the hydrogen tank system cooled even during standby operation, when no refueling is taking place, in order to reduce or minimize the need for any lead time before the next refueling process.
  • the heat exchanger can be designed as an evaporator heat exchanger. This can offer the advantage that the heat exchanger can transfer a particularly high level of heat to the second stream of cryogenic hydrogen.
  • the at least partial return of the second stream of hydrogen to the liquid hydrogen tank can comprise a direct introduction of at least a portion of the second stream of hydrogen into the liquid hydrogen tank. This means that the returned hydrogen can be introduced back into the liquid hydrogen tank without further conditioning.
  • the warmed-up hydrogen fed to the tank which can be in liquid and/or gaseous form, can serve to increase and/or maintain the pressure in the liquid hydrogen tank.
  • the at least partial return of the second stream of hydrogen to the liquid hydrogen tank can comprise an indirect introduction of at least a portion of the second stream of hydrogen into the liquid hydrogen tank via a pressure build-up heat exchanger.
  • the hydrogen can first be conditioned in a suitable manner and a heat supply to the liquid hydrogen tank can be controlled accordingly.
  • the hydrogen is optionally warmed up using ambient air before being introduced into the liquid hydrogen tank.
  • At least a portion of the second stream of hydrogen can be delivered to a consumer after cooling.
  • the second stream of hydrogen can be mixed with the output stream for this purpose.
  • at least a portion of the second stream of hydrogen can be used for another purpose after cooling.
  • at least a portion of the second stream of hydrogen can be used to cool other objects after cooling.
  • at least a portion of the second stream of hydrogen can be used to deliver to a consumer in the form of gaseous hydrogen under high pressure, for example at a pressure of 350 bar or 700 bar.
  • the second stream of cryogenic hydrogen can also be used to refuel conventional hydrogen tank systems for compressed gaseous hydrogen CGH 2 (H35 / H70 filling stations) to cool hydrogen gas to a temperature of up to -40°C.
  • compressed gaseous hydrogen CGH 2 H35 / H70 filling stations
  • the second cryogenic stream of cryogenic hydrogen withdrawn from the liquid hydrogen tank via the cooling line may comprise liquid hydrogen.
  • the second cryogenic stream of cryogenic hydrogen withdrawn from the liquid hydrogen tank via the cooling line may comprise gaseous hydrogen which has evaporated in the liquid hydrogen tank. This offers great flexibility in terms of the cooling potential of the withdrawn hydrogen.
  • the method can comprise temporarily storing at least a portion of the first stream of cryogenic hydrogen in a buffer storage between the cryopump system and the output line.
  • the buffer storage can be designed as a high-pressure buffer storage, optionally as a high-strength cryogenic pressure vessel, or can comprise one or more such.
  • the buffer storage can be integrated into the cryopump system and/or the output line.
  • the second stream of cryogenic hydrogen can also be used to cool the buffer storage.
  • one or more further heat exchangers can be integrated into the buffer storage.
  • the cryopump system and the heat exchanger can be at least partially thermally insulated from the environment.
  • the cryopump system and the heat exchanger can be integrated together in a cold box. This can enable good heat transfer from the cryopump system to the heat exchanger and yet largely thermally insulate the cryopump system and the heat exchanger from the environment.
  • the temperature reduction due to the control-optimized integrated cooling of the outlet stream from the cryopump can be approx. 4 K.
  • the density of hydrogen at the outlet of the cryopump can be increased by approx. 2% compared to a state-of-the-art configuration.
  • the hydrogen is compressed by the cryopump system from 3.5 bar to 400 bar. This results in a density increase of 2% for 400 bar cryocompressed hydrogen, i.e. a density of 82.5 kg/m 3 compared to 80.8 kg/m 3 .
  • the temperature decreases by 3.5 K at 400 bar, from 47.2 k to 43.7 K.
  • the heat transfer capacity of the heat exchanger is 5.1 kW, whereby the cold recovery through the returned hydrogen is not taken into account.

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Abstract

Bereitgestellt wird ein Verfahren (200) zur Ausgabe von kryogenem Wasserstoff aus einer Wasserstofftankanlage (10) mit einem Flüssigwasserstofftank (12), einem Kryopumpensystem (16) und einer Ausgabeleitung (14). Das Verfahren umfasst ein Fördern (202) eines ersten Stroms von kryogenem Wasserstoff über eine Förderleitung (18) mittels des Kryopumpensystems aus dem Flüssigwasserstofftank (12) zur der Ausgabeleitung (14). Das Verfahren (200) ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner ein Entnehmen (204) eines zweiten kryogenen Stroms von kryogenem Wasserstoff über eine Kühlleitung (22) aus dem Flüssigwasserstofftank (12), sowie ein Kühlen (206) des Kryopumpensystems (16) und/oder eines Ausgangsstroms des Kryopumpensystems (16) und/oder der Ausgabeleitung (14) mittels des zweiten Stroms von kryogenem Wasserstoff, und ein zumindest teilweises Zurückführen (208) des zweiten Stroms von Wasserstoff in den Flüssigwasserstofftank nach dem Kühlen (206) des Kryopumpensystems (16) und/oder des Ausgangsstroms des Kryopumpensystems und/oder der Ausgabeleitung umfasst.

Description

  • Bereitgestellt werden ein Verfahren zur Ausgabe von kryogenem Wasserstoff aus einer Wasserstofftankanlage, eine Wasserstofftankanlage zur Ausgabe von kryogenem Wasserstoff, ein Kryopumpensystem zur Förderung eines Stroms von kryogenem Wasserstoff von einem Flüssigwasserstofftank zu einer Ausgabeleitung, und eine Verwendung eines Wärmetauschers zur Abführung von Wärme eines Kryopumpensystems. Die Ausführungsformen liegen somit insbesondere auf dem Gebiet der Wasserstofftankanlagen.
  • Bei der Speicherung technischer Gase in Form tiefkalter Flüssigkeiten ist es im Stand der Technik bekannt, zur Aufrechterhaltung des Drucks im Speichertank einen Teil des verflüssigten Gases über einen Wärmetauscher an der Umgebungsluft zu verdampfen und gasförmig in den Speichertank zurückzuleiten, wie beispielsweise in der DE 539336 C beschrieben. Dabei geht wertvolle und aufwändig erzeugte Kälte verloren.
  • Steigt durch Wärmeeintrag der Druck im Speichertank über einen Schwellwert hinaus an, kann es nötig sein, Gas an die Umgebung abzublasen oder, im Falle brennbarer Gase, abzublasen oder einer Verwertung zuzuführen, um ein Bersten des Tanks zu vermeiden.
  • Auch ist es im Stand der Technik bekannt, bei der Ausgabe von kryogenen Medien zur Betankung eines Verbrauchers die Betankungsleitungen bis zum Füllstutzen durch Spülen mit dem besagten kryogenen Medien vorzukühlen. Das so erwärmte Medium wird herkömmlicherweise über eine Rückführleitung gesammelt und kann, erneut komprimiert und gekühlt, wieder abgegeben werden, wie beispielsweise in der DE 10 2013 003999 . Auch eine Kühlung der Leitungen mit flüssigem Stickstoff wurde erwogen.
  • Die DE102014015987 beschreibt die Verwendung von bereits im Speichertank verdampftem Wasserstoff zur Vorkühlung der Leitungen zur Zapfsäule, bevor dieser abgeblasen oder katalytisch verbrannt wird. Das ist aber nur in sehr speziellen Situationen sinnvoll, etwa bei Inbetriebnahme (auch nach einer Ruhezeit) der Tankstelle. Der durch die ständige Entnahme von Wasserstoff bedingte Druckabfall kühlt den Tank während des Regelbetriebes, so dass in diesem Betriebszustand kein nennenswerter Druckanstieg im Speichertank zu erwarten ist. Wasserstoff verdampft im Speichertank regelmäßig nur dann, wenn die Tankstelle nicht in Betrieb ist. In diesem Fall ist jedoch regelmäßig kein Bedarf an einer Kühlung vorhanden, da die Pumpen und/oder Kompressoren nicht in Betrieb sind und da kein Wasserstoff durch die Leitungen fließt, ist auch die Temperatur der Leitungen unerheblich.
  • Es liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wasserstofftankanlage, ein Kryopumpensystem, eine Verwendung eines Wärmetauschers und ein Verfahren zur Ausgabe von kryogenem Wasserstoff aus einer Wasserstofftankanlage bereitzustellen, welche den Stand der Technik bereichern und optional Nachteile des Standes der Technik vermeiden.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch eine Wasserstofftankanlage, ein Kryopumpensystem, eine Verwendung eines Wärmetauschers und ein Verfahren zur Ausgabe von kryogenem Wasserstoff aus einer Wasserstofftankanlage mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Ansprüche. Optionale Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen und in der Beschreibung angegeben.
  • Bereitgestellt wird ein Verfahren zur Ausgabe von kryogenem Wasserstoff aus einer Wasserstofftankanlage mit einem Flüssigwasserstofftank, einem Kryopumpensystem und einer Ausgabeleitung. Das Verfahren umfasst ein Fördern eines ersten Stroms von kryogenem Wasserstoff über eine Förderleitung mittels des Kryopumpensystems aus dem Flüssigwasserstofftank zur der Ausgabeleitung. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass es ferner ein Entnehmen eines zweiten kryogenen Stroms von kryogenem Wasserstoff über eine Kühlleitung aus dem Flüssigwasserstofftank umfasst. Ferner umfasst das Verfahren ein Kühlen des Kryopumpensystems und/oder weiterer Komponenten der Wasserstofftankanlage und/oder eines Ausgangsstroms des Kryopumpensystems und/oder der Ausgabeleitung mittels des zweiten Stroms von kryogenem Wasserstoff, und ein zumindest teilweises Zurückführen des zweiten Stroms von Wasserstoff in den Flüssigwasserstofftank nach dem Kühlen des Kryopumpensystems und/oder des Ausgangsstroms des Kryopumpensystems und/oder der Ausgabeleitung.
  • Ferner wird eine Wasserstofftankanlage zur Ausgabe von kryogenem Wasserstoff bereitgestellt, welche einen Flüssigwasserstofftank, eine Ausgabeleitung zur Ausgabe von kryogenem Wasserstoff, und ein Kryopumpensystem zur Förderung eines ersten Stroms von kryogenem Wasserstoff über eine Förderleitung aus dem Flüssigwasserstofftank zur Ausgabeleitung umfasst. Die Wasserstofftankanlage umfasst zudem einen Wärmetauscher zum Kühlen des Kryopumpensystems und/oder eines Ausgangsstroms des Kryopumpensystems und/oder der Ausgabeleitung mittels eines über eine Kühlleitung aus dem Flüssigwasserstofftank entnommenen zweiten Stroms von kryogenem Wasserstoff, und eine Rückführleitung zum zumindest teilweisen Zurückführen des zweiten Stroms von Wasserstoff in den Flüssigwasserstofftank nach dem Kühlen des Kryopumpensystems und/oder des Ausgangsstroms des Kryopumpensystems und/oder der Ausgabeleitung.
  • Des Weiteren wird ein Kryopumpensystem zur Förderung eines ersten Stroms von kryogenem Wasserstoff von einem Flüssigwasserstofftank zu einer Ausgabeleitung bereitgestellt. Das Kryopumpensystem umfasst einen Fördereingang für eine Zuleitung des ersten Stroms von kryogenem Wasserstoff aus dem Flüssigwasserstofftank, und einen Förderausgang für eine Förderung des ersten Stroms von kryogenem Wasserstoff in die Ausgabeleitung. Zudem umfasst das Kryopumpensystem einen Wärmetauscher mit einem Kühleingang und einem Kühlausgang, wobei der Wärmetauscher dazu ausgestaltet ist, mittels eines über den Kühleingang zugeführten zweiten Stroms von kryogenem Wasserstoff aus dem Flüssigwasserstofftank Wärme des Kryopumpensystems über den Kühlausgang in den Flüssigwasserstofftank abzuführen.
  • Außerdem wird eine Verwendung eines Wärmetauschers zur Abführung von Wärme eines Kryopumpensystems zur Förderung eines ersten Stroms von kryogenem Wasserstoff aus einem Flüssigwasserstofftank mittels eines zweiten Stroms von aus dem Flüssigwasserstofftank entnommenem und in den Flüssigwasserstofftank zurückgeführtem kryogenem Wasserstoff bereitgestellt.
  • Kryogener Wasserstoff ist dabei tiefkalter Wasserstoff. Die Temperatur des kryogenen Wasserstoffs kann dabei 100 K oder weniger betragen. Insbesondere kann die Ausgabe von kryogenem Wasserstoff die Ausgabe von flüssigem Wasserstoff und/oder gasförmigen Wasserstoff unter hohem Druck und/oder kryo-komprimiertem Wasserstoff (CcH2), gasförmigem Wasserstoff unter Druck zwischen 1 bar und ca. 500 bar bei kryogenen Temperaturen zwischen 30 K und ca. 200 K, umfassen.
  • Eine Wasserstofftankanlage ist dabei ein Tankanlage zur Ausgabe von Wasserstoff an Verbraucher, etwa an mit Wasserstoff betriebene Kraftfahrzeuge und/oder zur Befüllung von Speicherbehältern für Wasserstoff, insbesondere für kryo-komprimierten Wasserstoff.
  • Der Flüssigwasserstofftank ist dabei ein Tank zur Speicherung von Wasserstoff, wobei der gespeicherte Wasserstoff teilweise oder vollständig in flüssiger Form gespeichert ist. Die Abgabe des Wasserstoffs, etwa bei einem Tankvorgang, kann optional die Ausgabe von kryo-komprimiertem, flüssigem und/oder von gasförmigem Wasserstoff umfassen.
  • Ein Kryopumpensystem ist dabei ein Pumpensystem, welches für die Förderung und Verdichtung von kryogenem Wasserstoff geeignet oder ausgelegt ist. Dabei kann das Kryopumpensystem eine Pumpe und optional weitere Komponenten umfassen, wie etwa eine oder mehrere Vorrichtungen zur Kühlung der Pumpe und/oder anderer Elemente, mit welchen der kryogene Wasserstoff bei der Förderung in thermischen Kontakt gelangt. Das Kryopumpensystem kann dabei über die Förderleitung an den Flüssigwasserstofftank angeschlossen sein und über die Förderleitung den kryogenen Wasserstoff zur Förderung und Verdichtung ansaugen. Das Kryopumpensystem kann ferner über die Ausgabeleitung mit einer Schnittstelle für den Tankvorgang eines oder mehrerer Verbraucher verbunden sein, etwa mit einer oder mehreren Zapfsäulen, zu welcher der angesaugte Wasserstoff von dem Kryopumpensystem gefördert wird.
  • Die Kühlleitung ist dabei nicht identisch mit der Förderleitung. Die Förderleitung kann separat von der Kühlleitung ausgebildet sein. Optional können die Förderleitung und die Kühlleitung aneinander und/oder parallel angrenzend verlaufen und/oder gemeinsam gegen die Umgebung thermisch isoliert sein. Optional kann die Kühlleitung die Förderleitung zumindest teilweise die Förderleitung spiralförmig umwinden und/oder konzentrisch umgeben. Die Kühlleitung kann dazu dienen, Wasserstoff aus dem Flüssigwasserstofftank zum Zwecke der Kühlung des Kryopumpensystems und/oder des Ausgangsstroms des Kryopumpensystems und/oder der Ausgabeleitung mittels des zweiten Stroms von kryogenem Wasserstoff bereitzustellen, wobei die Ausgabe und/oder Verbrauch des über die Kühlleitung entnommenen Wasserstoffs nicht zwingend vorgesehen sein muss. Vielmehr kann vorgesehen sein, den über die Kühlleitung entnommenen Wasserstoff zur Erhaltung des optimalen Förderdrucks direkt oder indirekt wieder dem Flüssigwasserstofftank zuzuführen. Dass ein zumindest teilweises Zurückführen des zweiten Stroms von Wasserstoff in den Flüssigwasserstofftank nach dem Kühlen des Kryopumpensystems und/oder des Ausgangsstroms des Kryopumpensystems und/oder der Ausgabeleitung erfolgt, bedeutet dabei, dass wenigstens ein Teil des Wasserstoffs wieder zurückgeführt wird, während optional ein anderer Teil des Wasserstoffs einem anderen Zweck zugeführt werden kann. Die Kühlleitung kann vakuum-isoliert ausgestaltet sein.
  • Der Wärmetauscher ist dabei eine Vorrichtung zur Übertragung von Wärme vom Kryopumpensystem und/oder vom Ausgangsstrom des Kryopumpensystems und/oder von der Ausgabeleitung auf den zweiten Strom von kryogenem Wasserstoff und optional für die Abfuhr der übertragenen Wärme. Der Wärmetauscher kann somit in thermischem Kontakt mit dem Kryopumpensystem und/oder dem Ausgangsstrom des Kryopumpensystems und/oder dem der Ausgabeleitung stehen.
  • Die Offenbarung bietet den Vorteil, dass eine effiziente Kühlung von Komponenten der Wasserstofftankanlage erfolgen kann, mit welchen der kryogene Wasserstoff während des Tankvorgangs in Berührung kommt. So kann offenbarungsgemäß eine effiziente Kühlung des Kryopumpensystems und/oder Leitungen bis zum Füllstutzen, sowie des abzugebenden Wasserstoffs selbst erfolgen. Damit kann eine Maximierung der Dichte des abgegebenen Wasserstoffs bis auf über 80 kg/m3 erreicht werden, wodurch eine Speicherung des abgegebenen Wasserstoffs bei hoher Dichte und ein hoher Massenfluss des abgegebenen Wasserstoffs erreicht werden kann. Somit bietet die Offenbarung den Vorteil, dass auch solche Kraftfahrzeuge mit Wasserstoff betankt werden können, welche den Wasserstoff mit einer besonders hohen Dichte aufnehmen und/oder speichern müssen. Dies kann den Vorteil bieten, dass auch Nutzfahrzeuge, wie etwa Lastkraftwagen, an einer offenbarungsgemäßen Wasserstofftankanlage mit Wasserstoff effizient versorgt werden können, da die Betankung von großen Wasserstoffmengen in kürzerer Zeit erfolgen kann, als dies im Stand der Technik möglich ist.
  • Zudem bietet die Offenbarung den Vorteil, dass der bei der Kühlung des Kryopumpensystems, der Ausgabeleitung und/oder des Ausgangsstroms sich erwärmende und optional verdampfende Wasserstoff nicht an die Umgebung verloren geht, sondern zumindest teilweise dem Flüssigwasserstofftank wieder zugeführt werden kann, um diesen auf einem Gleichgewichtsdruck zu halten, der ansonsten durch zusätzliche Wärmezufuhr gewährleistet werden müsste. Dadurch können die Verluste von Wasserstoff beim Betrieb der Wasserstofftankanlage gering gehalten werden und entsprechend eine Effizienz und Wirtschaftlichkeit der Wasserstofftankstelle im Vergleich zu herkömmlichen Wasserstofftankstellen erhöht werden. Die Kälte aus einer Verdampfung des flüssigen Wasserstoffs für die Kühlung geht somit nicht vollständig an die Umgebungsluft verloren, sondern wird thermodynamisch optimiert zur Betankung genutzt.
  • Des Weiteren und optional kann eine offenbarungsgemäße Wasserstofftankanlage auf einen externen Druckaufbauwärmetauscher entweder ganz verzichten, oder mit einem kleineren Druckaufbauwärmetauscher arbeiten.
  • Zudem bietet die Offenbarung den Vorteil, dass technisch einfache Kryopumpen verwendet werden können, da die Kryopumpen nicht notwendigerweise in direktem Kontakt zu flüssigem Wasserstoff angeordnet und/oder betrieben werden müssen. Dadurch können die Kosten für die Bereitstellung, den Betrieb und/oder die Wartung der Wasserstofftankanlage gering gehalten werden. Somit können unter Verwendung robuster einfacher Kryopumpen (z.B. kryogene Hubkolbenpumpen) sehr hohe Wasserstoff-Betankungsdichten erreicht werden, ohne konstruktiv sehr komplexe, wartungsaufwändige und teure Kryopumpen nutzen zu müssen.
  • Das Verfahren kann ferner ein Ausgeben des Ausgangsstroms von kryogenem Wasserstoffs aus der Ausgabeleitung in Form von flüssigem Wasserstoff oder kryo-komprimiertem Wasserstoff umfassen. Das Ausgeben kann optional über eine Zapfsäule erfolgen. Der ausgegebene Wasserstoff kann optional in einem Wasserstofftank eines Verbrauchers, etwa eines Kraftfahrzeugs, oder von einem weiteren Speichertank aufgenommen werden.
  • Das Ausgeben des Ausgangsstroms kann ein Ausgeben des kryogenen Wasserstoffs mit einer Dichte des kryogenen Wasserstoffs von mindestens 75 kg/m3 , optional sogar 80 kg/m3 erfolgen. Dies kann insbesondere dadurch ermöglicht werden, dass das Kryopumpensystem und/oder der der Ausgangsstrom und/oder die Ausgabeleitung und/oder optional weitere Komponenten der Wasserstofftankstelle, mit denen der kryogene Wasserstoff in thermischen Kontakt gelangt, gekühlt werden. Das Ausgeben des Ausgangsstroms mit einer derart hohen Dichte kann das Betanken von solchen Speichertanks und/oder Verbrauchern ermöglichen, welche eine besonders hohe Dichte des Wassersstoffs für die Speicherung erfordern, etwa Nutzfahrzeuge mit einer hohen Reichweite. Außerdem kann dadurch optional der Tankvorgang zeitlich verkürzt werden gegenüber einer Ausgabe mit geringeren Dichten.
  • Das Verfahren kann ferner ein Regeln und/oder Steuern des Entnehmens des zweiten kryogenen Stroms von kryogenem Wasserstoff aus dem Flüssigwasserstofftank umfassen. Dabei kann das Regeln und/oder Steuern unter Verwendung eines Drucks und/oder einer Temperatur und/oder eines Massestroms des Ausgangsstroms von kryogenem Wasserstoff erfolgen. Dies kann ein präzises Einstellen der gewünschten Temperatur und/oder Dichte des im Tankvorgang abgegebenen Wasserstoffs ermöglichen. Somit kann dies den Vorteil bieten, dass der Tankvorgang bei vorbestimmten Konditionen erfolgt und entsprechend standardisierbar ist. Optional kann dies dazu dienen, eine Temperatur und/oder Dichte des Ausgangsstroms von Wasserstoff zwischen den Tankvorgängen und/oder während eines Tankvorgangs zu variieren. Dadurch kann eine große Flexibilität hinsichtlich der zu betankenden Abnehmer erzielt werden.
  • Bei der Regelung können Regelventile angesteuert werden, um eine möglichst optimierte Betankung mit hohen Massenströme und hoher Betankungsdichte sowie optional unter konstantem Druck im Flüssigwasserstofftank zu ermöglichen. Dabei kann neben dem Druck im Flüssigwasserstofftank optional auch eine Temperatur des Ausgangsstroms des Kryopumpensystems geregelt werden. Dadurch können niedrigere Austrittstemperaturen an der Kryopumpe sowie höhere Betankungsdichten ermöglicht werden als dies herkömmlicherweise möglich ist.
  • Das Kühlen des Kryopumpensystems und/oder des Ausgangsstroms des Kryopumpensystems und/oder der Ausgabeleitung mittels des zweiten Stroms von kryogenem Wasserstoff kann ein Zuführen des zweiten Stroms von kryogenem Wasserstoff in einen Wärmetauscher des Kryopumpensystems umfassen, sodass der zweite Strom von kryogenem Wasserstoff Wärme des Kryopumpensystems aufnimmt. Dies kann eine effiziente Abfuhr von Wärme mittels des zweiten Stroms von kryogenem Wasserstoff ermöglichen. Optional kann dies den Vorteil bieten, dass bei der Aufnahme der Wärme durch den zweiten Strom von kryogenem Wasserstoff dieser verdampfen kann, ohne dabei an die Umgebung verloren zu gehen. Vielmehr kann der Wasserstoff auch in diesem Fall in einem Leitungssystem des Wärmetauschers und/oder in der Rückführleitung gehalten werden. Der zweite Strom von Wasserstoff kann nach dem Kühlen des Kryopumpensystems und/oder des Ausgangsstroms des Kryopumpensystems und/oder der Ausgabeleitung teilweise oder vollständig in Gasform vorliegen. Mit anderen Worten ausgedrückt kann der zweite Strom von kryogenem Wasserstoff beim Kühlen verdampfen.
  • Das Entnehmen des zweiten kryogenen Stroms von Wasserstoff und/oder das Kühlen des Kryopumpensystems und/oder eines Ausgangsstroms des Kryopumpensystems und/oder der Ausgabeleitung mittels des zweiten Stroms von kryogenem Wasserstoff kann dabei während eines Betankungsvorgangs, also zeitgleich oder mit zeitlichem Überlapp erfolgen, und/oder zwischen aufeinanderfolgenden Tankvorgängen. Dies kann die Möglichkeit bieten, die Wasserstofftankanlage auch während eines Stand-by Betriebs, wenn gerade kein Tankvorgang erfolgt, gekühlt zu halten, um das Erfordernis für eine etwaige Vorlaufzeit vor dem nächsten Tankvorgang zu reduzieren oder zu minimieren.
  • Der Wärmetauscher kann als Verdampfer-Wärmetauscher ausgebildet sein. Dies kann den Vorteil bieten, dass der Wärmetauscher ein besonders hohes Maß an Wärme auf den zweiten Strom von kryogenem Wasserstoff übertragen kann.
  • Das zumindest teilweise Zurückführen des zweiten Stroms von Wasserstoff in den Flüssigwasserstofftank kann ein direktes Einleiten zumindest eines Teils des zweiten Stroms von Wasserstoff in den Flüssigwasserstofftank umfassen. Dies bedeutet, dass der zurückgeführte Wasserstoff ohne weitere Konditionierung wieder in den Flüssigwasserstofftank eingeleitet werden kann. Dies kann den Vorteil bieten, dass der dem Tank zugeführte, aufgewärmte Wasserstoff, welcher flüssig und/oder gasförmig vorliegen kann, zur Steigerung und/oder Aufrechterhaltung des Drucks im Flüssigwasserstofftank dienen kann. Alternativ oder zusätzlich kann das zumindest teilweise Zurückführen des zweiten Stroms von Wasserstoff in den Flüssigwasserstofftank ein indirektes Einleiten zumindest eines Teils des zweiten Stroms von Wasserstoff in den Flüssigwasserstofftank über einen Druckaufbauwärmetauscher umfassen. Dies kann den Vorteil bieten, dass der Wasserstoff zunächst in geeigneter Weise konditioniert werden kann und entsprechend eine Wärmezufuhr in den Flüssigwasserstofftank kontrolliert werden kann. Im Druckaufbauwärmetauscher wird der Wasserstoff vor dem Einleiten in den Flüssigwasserstofftank optional mittels Umgebungsluft aufgewärmt.
  • Optional kann zumindest ein Teil des zweiten Stroms von Wasserstoff nach dem Kühlen an einen Verbraucher abgegeben werden. Optional kann dazu der zweite Strom von Wasserstoff dem Ausgabestrom beigemischt werden. Alternativ oder zusätzlich kann zumindest ein Teil des zweiten Stroms von Wasserstoff nach dem Kühlen einem weiteren Verwendungszweck zugeführt werden. Optional kann dabei zumindest ein Teil des zweiten Stroms von Wasserstoff nach dem Kühlen dazu verwendet werden, andere Gegenstände zu kühlen. Optional kann dabei zumindest ein Teil des zweiten Stroms von Wasserstoff nach dem Kühlen dazu verwendet werden, in Form von gasförmigem Wasserstoff unter hohem Druck, etwa mit einem Druck von 350 bar oder 700 bar, an einen Verbraucher abgegeben zu werden.
  • Optional kann der zweite Strom von kryogenem Wasserstoff auch dazu verwendet werden, um in konventionellen Wasserstoff-Tankanlagen für komprimierten gasförmigen Wasserstoff CGH2 (H35 / H70 Tankstellen) Wasserstoffgas auf eine Temperatur von bis zu -40°C abzukühlen.
  • Der über die Kühlleitung aus dem Flüssigwasserstofftank entnommene zweite kryogene Strom von kryogenem Wasserstoff kann flüssigen Wasserstoff umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann der über die Kühlleitung aus dem Flüssigwasserstofftank entnommene zweite kryogene Strom von kryogenem Wasserstoff gasförmigen Wasserstoff umfassen, welcher im Flüssigwasserstofftank verdampft ist. Dies bietet eine große Flexibilität hinsichtlich des Kühlpotenzials des entnommenen Wasserstoffs.
  • Außerdem kann das Verfahren ein Zwischenspeichern zumindest eines Teils des ersten Stroms von kryogenem Wasserstoff in einem Pufferspeicher zwischen dem Kryopumpensystem und der Ausgabeleitung umfassen. Dies kann den Vorteil bieten, dass etwaige Fluktuationen des Ausgangsstroms hinsichtlich dessen Temperatur und/oder Dichte und/oder Massenstroms reduziert oder vermieden werden können. Der Pufferspeicher kann als Hochdruck-Pufferspeicher, optional als hochfester Kryo-Druckbehälter, ausgebildet sein oder einen oder mehrere solcher umfassen. Der Pufferspeicher kann in das Kryopumpensystem und/oder die Ausgabeleitung integriert sein. Optional kann der zweite Strom von kryogenem Wasserstoff auch dazu verwendet werden, den Pufferspeicher zu kühlen. Optional können ein oder mehrere weitere Wärmetauscher in den Pufferspeicher integriert sein.
  • Das Kryopumpensystem und der Wärmetauscher können gemeinsam gegenüber der Umgebung zumindest teilweise thermisch isoliert sind. Optional können das Kryopumpensystem und der Wärmetauscher gemeinsam in einer Coldbox integriert sein. Dies kann eine gute Wärmeübertragung von dem Kryopumpensystem auf den Wärmetauscher ermöglichen und dennoch das Kryopumpensystem und den Wärmetauscher weitgehend von der Umgebung thermisch isolieren.
  • Im Folgenden optionalen und nicht-limitierenden Beispiel wird beispielhaft gerechnet, dass bei einer Verdichtung von Wasserstoff von 3,5 bar auf 400 bar in einer Kryopumpe, die Temperatur-Absenkung durch die regelungstechnische optimierte integrierte Kühlung des Austrittsstroms aus der Kryopumpe ca. 4 K betragen kann. Dabei kann die Dichte von Wasserstoff am Austritt der Kryopumpe um ca. 2% erhöht werden gegenüber einer Konfiguration nach Stand der Technik.
  • Es erfolgt eine Kompression des Wasserstoffs durch das Kryopumpensystem von 3,5 bar auf 400 bar. Daraus resultiert eine Dichtesteigerung von 2% bei 400 bar kryokomprimiertem Wasserstoff, d. h. eine Dichte von 82,5 kg/m3 gegenüber 80,8 kg/m3. Die Temperatur nimmt dabei bei 400 bar um 3,5 K ab von 47,2 k auf 43,7 K. Die Wärmeübertragungsleistung des Wärmetauschers beträgt dabei 5,1 kW, wobei die Kälterückgewinnung durch den zurückgeführten Wasserstoff nicht mit berücksichtigt ist.
  • Die oben genannten und im Folgenden erläuterten Merkmale und Ausführungsformen sind dabei nicht nur als in den jeweils explizit genannten Kombinationen offenbart anzusehen, sondern sind auch in anderen technisch sinnhaften Kombinationen und Ausführungsformen vom Offenbarungsgehalt umfasst.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile sollen nun anhand der folgenden Beispiele und optionalen Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren näher erläutert werden.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine Wasserstofftankanlage zur Ausgabe von kryogenem Wasserstoff gemäß einer optionalen Ausführungsform;
    Fig. 2
    ein Verfahren gemäß einer optionalen Ausführungsform zur Ausgabe von kryogenem Wasserstoff aus einer Wasserstofftankanlage;
    Fig. 3
    eine Ausgabeleitung gemäß einer optionalen Ausführungsform, welche sich vom Kryopumpensystem bis zu einer Zapfsäule erstreckt.
  • In den folgenden Figuren werden gleiche oder ähnliche Elemente in den verschiedenen Ausführungsformen der Einfachheit halber mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
  • Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Wasserstofftankanlage 10 zur Ausgabe von kryogenem Wasserstoff gemäß einer optionalen Ausführungsform. Die Wasserstofftankanlage 10 umfasst einen Flüssigwasserstofftank 12, eine Ausgabeleitung 14 zur Ausgabe von kryogenem Wasserstoff, und ein Kryopumpensystem 16 zur Förderung eines ersten Stroms von kryogenem Wasserstoff über eine Förderleitung 18 aus dem Flüssigwasserstofftank 12 zur Ausgabeleitung14.
  • Die Wasserstofftankanlage 10 umfasst ferner einen Wärmetauscher 20 zum Kühlen des Kryopumpensystems 16 und/oder eines Ausgangsstroms des Kryopumpensystems 16 und/oder der Ausgabeleitung 14 mittels eines über eine Kühlleitung 22 aus dem Flüssigwasserstofftank 12 entnommenen zweiten Stroms von kryogenem Wasserstoff.
  • Zudem weist die Wasserstofftankanlage 10 eine Rückführleitung 24 zum zumindest teilweisen Zurückführen des zweiten Stroms von Wasserstoff in den Flüssigwasserstofftank 12 nach dem Kühlen des Kryopumpensystems 16 und/oder des Ausgangsstroms des Kryopumpensystems 16 und/oder der Ausgabeleitung 14 auf.
  • Das Kryopumpensystem 16 und der Wärmetauscher 20 können dabei gemeinsam gegenüber der Umgebung zumindest teilweise thermisch isoliert sein. Der Wärmetauscher 20 kann als Verdampfer-Wärmetauscher ausgebildet sein.
  • Optional kann der Wärmetauscher 20 einen Teil des Kryopumpensystems 16 bilden. Dabei kann das Kryopumpensystem 16 zur Förderung eines ersten Stroms von kryogenem Wasserstoff von dem Flüssigwasserstofftank 12 zu der Ausgabeleitung 14 ausgebildet sein. Das Kryopumpensystem 16 kann einen Fördereingang 26 für eine Zuleitung des ersten Stroms von kryogenem Wasserstoff aus dem Flüssigwasserstofftank 12 und einen Förderausgang 28 für eine Förderung des ersten Stroms von kryogenem Wasserstoff in die Ausgabeleitung 14 umfassen. Außerdem kann das Kryopumpensystem 16 den Wärmetauscher 20 mit einem Kühleingang 30 und einem Kühlausgang 32 umfassen, wobei der Wärmetauscher 20 dazu ausgestaltet ist, mittels eines über den Kühleingang 30 zugeführten zweiten Strom von kryogenem Wasserstoff aus dem Flüssigwasserstofftank 12 Wärme des Kryopumpensystems 16 über den Kühlausgang 32 in den Flüssigwasserstofftank 12 abzuführen.
  • Das Zurückführen des zweiten Stroms von Wasserstoff in den Flüssigwasserstofftank 12 nach dem Kühlen des Kryopumpensystems 16 kann optional direkt erfolgen oder über einen Druckaufbauwärmetauscher 34.
  • Optional kann die Wasserstofftankanlage einen Pufferspeicher 36 aufweisen. Dieser kann zwischen dem Kryopumpensystem 16 und der Ausgabeleitung 14 angeordnet sein. Dabei kann der Ausgangsstrom des Kryopumpensystems 16 zunächst im Pufferspeicher 36 zwischengespeichert werden, sodass die Ausgabe von Wasserstoff an einen Verbraucher sodann aus dem Pufferspeicher 36 erfolgt.
  • Anhand Figur 2 wird im Folgenden ein Verfahren 200 gemäß einer optionalen Ausführungsform zur Ausgabe von kryogenem Wasserstoff aus einer Wasserstofftankanlage 10 mit einem Flüssigwasserstofftank 12, einem Kryopumpensystem 16 und einer Ausgabeleitung 14 beschrieben. Das Verfahren kann sich optional einer Wasserstofftankanlage gemäß Figur 1 bedienen.
  • Das Verfahren 200 umfasst in einem Schritt 202 ein Fördern eines ersten Stroms von kryogenem Wasserstoff über eine Förderleitung 18 mittels des Kryopumpensystems 16 aus dem Flüssigwasserstofftank 12 zur der Ausgabeleitung 14.
  • Das Verfahren 200 umfasst zudem in einem Schritt 204 ein Entnehmen eines zweiten kryogenen Stroms von kryogenem Wasserstoff über eine Kühlleitung 22 aus dem Flüssigwasserstofftank 12.
  • In einem Schritt 206 umfasst das Verfahren 200 ein Kühlen des Kryopumpensystems 16 und/oder eines Ausgangsstroms des Kryopumpensystems 16 und/oder der Ausgabeleitung 14 mittels des zweiten Stroms von kryogenem Wasserstoff. Das Kühlen 206 des Kryopumpensystems 16 und/oder des Ausgangsstroms des Kryopumpensystems 16 und/oder der Ausgabeleitung 14 mittels des zweiten Stroms von kryogenem Wasserstoff kann ein Zuführen des zweiten Stroms von kryogenem Wasserstoff in einen Wärmetauscher 20 des Kryopumpensystems 16 umfassen, sodass der zweite Strom von kryogenem Wasserstoff Wärme des Kryopumpensystems 16 aufnimmt.
  • In einem Schritt 208 umfasst das Verfahren 200 ein zumindest teilweises Zurückführen des zweiten Stroms von Wasserstoff in den Flüssigwasserstofftank 12 nach dem Kühlen des Kryopumpensystems 16 und/oder des Ausgangsstroms des Kryopumpensystems 16 und/oder der Ausgabeleitung 14. Das zumindest teilweise Zurückführen 208 des zweiten Stroms von Wasserstoff in den Flüssigwasserstofftank 12 kann ein direktes Einleiten zumindest eines Teils des zweiten Stroms von Wasserstoff in den Flüssigwasserstofftank 12 und/oder ein indirektes Einleiten zumindest eines Teils des zweiten Stroms von Wasserstoff in den Flüssigwasserstofftank 12 über einen Druckaufbauwärmetauscher 34 umfassen.
  • Optional umfasst das Verfahren ferner in einem Schritt 210 ein Ausgeben des Ausgangsstroms von kryogenem Wasserstoff aus der Ausgabeleitung 14 in Form von flüssigem Wasserstoff oder kryokomprimiertem Wasserstoff. Das Ausgeben des Ausgangsstroms kann ein Ausgeben des kryogenen Wasserstoffs mit einer Dichte von mindestens 75 kg/m3 umfassen.
  • Ferner kann das Verfahren in einem Schritt 212 ein Regeln und/oder Steuern des Entnehmens des zweiten kryogenen Stroms von kryogenem Wasserstoff aus dem Flüssigwasserstofftank12 umfassen, wobei das Regeln 212 und/oder Steuern unter Verwendung eines Drucks und/oder einer Temperatur und/oder eines Massestroms des Ausgangsstroms von kryogenem Wasserstoff erfolgen kann. Die Wasserstofftankanlage kann dafür geeignete Sensoren und/oder Stellelemente aufweisen.
  • Der über die Kühlleitung 22 aus dem Flüssigwasserstofftank 12 entnommene zweite Strom von kryogenem Wasserstoff kann flüssigen Wasserstoff umfassen. Der über die Kühlleitung 22 aus dem Flüssigwasserstofftank entnommene zweite kryogene Strom von kryogenem Wasserstoff kann alternativ oder zusätzlich gasförmigen Wasserstoff umfassen, welcher im Flüssigwasserstofftank 12 verdampft ist. Dazu können optional mehrere Kühlleitungen 22 bereitgestellt werden.
  • Das Verfahren 200 kann ferner in einem Schritt 214 ein Zwischenspeichern zumindest eines Teils des ersten Stroms von kryogenem Wasserstoff in einem Pufferspeicher 36 zwischen dem Kryopumpensystem 16 und der Ausgabeleitung 14 umfassen.
  • Der zweite Strom von Wasserstoff kann nach dem Kühlen des Kryopumpensystems 16 und/oder des Ausgangsstroms des Kryopumpensystems 16 und/oder der Ausgabeleitung teilweise oder vollständig in Gasform vorliegen.
  • In einer weiteren optionalen Ausführung wird der zweite Strom von kryogenem Wasserstoff auch dazu verwendet die Prozessleitungen, insbesondere die Ausgabeleitung, und Komponenten stromabwärts des Kryopumpensystem 16 bis zur Zapfsäule (Betankungsschnittstelle zum Fahrzeug) während der Betankung sowie im Stand-by (keine Betankung) kalt zu halten. Dies ermöglicht hohe Betankungsdichten und/oder minimierte Verdampfungsverluste.
  • Figur 3 zeigt beispielhaft eine Ausgabeleitung 14, welche sich vom Kryopumpensystem 16 bis zu einer Zapfsäule 38 erstreckt und mit einer Durchflussleitung 40 für den zweiten Strom von kryogenem Wasserstoff zusammen thermisch isoliert verläuft, um die Ausgabeleitung während eines Tankvorgangs und/oder im Stand-by Betrieb zu kühlen. Dabei kann der erwärmte kryogene Wasserstoff durch eine oder mehrere Bypass Leitungen innerhalb der Hauptprozessleitung (z. B. Betankungsschlauch) zurückgeleitet werden.
    • Bezugszeichenliste
    • 10
    Wasserstofftankanlage
    12
    Flüssigwasserstofftank
    14
    Ausgabeleitung
    16
    Kryopumpensystem
    18
    Förderleitung
    20
    Wärmetauscher
    22
    Kühlleitung
    24
    Rückführleitung
    26
    Fördereingang
    28
    Förderausgang
    30
    Kühleingang
    32
    Kühlausgang
    34
    Druckaufbauwärmetauscher
    36
    Pufferspeicher
    38
    Zapfsäule
    40
    Durchflussleitung
    200
    zur Ausgabe von kryogenem Wasserstoff aus einer Wasserstofftankanlage
    202 - 214
    Verfahrensschritte

Claims (15)

  1. Verfahren (200) zur Ausgabe von kryogenem Wasserstoff aus einer Wasserstofftankanlage (10) mit einem Flüssigwasserstofftank (12), einem Kryopumpensystem (16) und einer Ausgabeleitung (14), das Verfahren (200) umfassend:
    - Fördern (202) eines ersten Stroms von kryogenem Wasserstoff über eine Förderleitung (18) mittels des Kryopumpensystems (16) aus dem Flüssigwasserstofftank (12) zur der Ausgabeleitung (14);
    dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren (200) ferner umfasst:
    - Entnehmen (204) eines zweiten kryogenen Stroms von kryogenem Wasserstoff über eine Kühlleitung (22) aus dem Flüssigwasserstofftank (12);
    - Kühlen (206) des Kryopumpensystems (16) und/oder eines Ausgangsstroms des Kryopumpensystems (16) und/oder der Ausgabeleitung (14) mittels des zweiten Stroms von kryogenem Wasserstoff; und
    - zumindest teilweises Zurückführen (208) des zweiten Stroms von Wasserstoff in den Flüssigwasserstofftank (12) nach dem Kühlen (206) des Kryopumpensystems (16) und/oder des Ausgangsstroms des Kryopumpensystems (16) und/oder der Ausgabeleitung (14).
  2. Verfahren (200) gemäß Anspruch 1, ferner umfassend
    - Ausgeben (210) des Ausgangsstroms von kryogenem Wasserstoffs aus der Ausgabeleitung (14) in Form von flüssigem Wasserstoff oder kryokomprimiertem Wasserstoff.
  3. Verfahren (200) gemäß Anspruch 2, wobei das Ausgeben (210) des Ausgangsstroms ein Ausgeben des kryogenen Wasserstoffs mit einer Dichte des kryogenen Wasserstoffs von mindestens 75 kg/m3 erfolgt.
  4. Verfahren (200) gemäß einem der Ansprüche 2 und 3, umfassend ein Regeln (212) und/oder Steuern des Entnehmens des zweiten kryogenen Stroms von kryogenem Wasserstoff aus dem Flüssigwasserstofftank (12), wobei das Regeln (212) und/oder Steuern unter Verwendung eines Drucks und/oder einer Temperatur und/oder eines Massestroms des Ausgangsstroms von kryogenem Wasserstoff erfolgt.
  5. Verfahren (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kühlen (206) des Kryopumpensystems (16) und/oder des Ausgangsstroms des Kryopumpensystems (16) und/oder der Ausgabeleitung (14) mittels des zweiten Stroms von kryogenem Wasserstoff ein Zuführen des zweiten Stroms von kryogenem Wasserstoff in einen Wärmetauscher (20) des Kryopumpensystems (16) umfasst, sodass der zweite Strom von kryogenem Wasserstoff Wärme des Kryopumpensystems (16) aufnimmt.
  6. Verfahren (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zumindest teilweise Zurückführen (208) des zweiten Stroms von Wasserstoff in den Flüssigwasserstofftank (12) ein direktes Einleiten zumindest eines Teils des zweiten Stroms von Wasserstoff in den Flüssigwasserstofftank (12) und/oder ein indirektes Einleiten zumindest eines Teils des zweiten Stroms von Wasserstoff in den Flüssigwasserstofftank (12) über einen Druckaufbauwärmetauscher (34) umfasst.
  7. Verfahren (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der über die Kühlleitung (22) aus dem Flüssigwasserstofftank (12) entnommene zweite kryogene Strom von kryogenem Wasserstoff flüssigen Wasserstoff umfasst.
  8. Verfahren (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der über die Kühlleitung (22) aus dem Flüssigwasserstofftank (12) entnommene zweite kryogene Strom von kryogenem Wasserstoff gasförmigen Wasserstoff umfasst, welcher im Flüssigwasserstofftank (12) verdampft ist.
  9. Verfahren (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend:
    - Zwischenspeichern (214) zumindest eines Teils des ersten Stroms von kryogenem Wasserstoff in einem Pufferspeicher (36) zwischen dem Kryopumpensystem (16) und der Ausgabeleitung (14).
  10. Verfahren (200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Strom von Wasserstoff nach dem Kühlen (206) des Kryopumpensystems (16) und/oder des Ausgangsstroms des Kryopumpensystems (16) und/oder der Ausgabeleitung (14) teilweise oder vollständig in Gasform vorliegt.
  11. Wasserstofftankanlage (10) zur Ausgabe von kryogenem Wasserstoff, die Wasserstofftankanlage (10) umfassend:
    - einen Flüssigwasserstofftank (12);
    - eine Ausgabeleitung (14) zur Ausgabe von kryogenem Wasserstoff; und
    - ein Kryopumpensystem (16) zur Förderung eines ersten Stroms von kryogenem Wasserstoff über eine Förderleitung (18) aus dem Flüssigwasserstofftank (12) zur Ausgabeleitung (14);
    dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserstofftankanlage (10) ferner umfasst:
    - einen Wärmetauscher (20) zum Kühlen des Kryopumpensystems (16) und/oder eines Ausgangsstroms des Kryopumpensystems (16) und/oder der Ausgabeleitung (14) mittels eines über eine Kühlleitung (22) aus dem Flüssigwasserstofftank (12) entnommenen zweiten Stroms von kryogenem Wasserstoff; und
    - eine Rückführleitung (24) zum zumindest teilweisen Zurückführen des zweiten Stroms von Wasserstoff in den Flüssigwasserstofftank (12) nach dem Kühlen des Kryopumpensystems (16) und/oder des Ausgangsstroms des Kryopumpensystems (16) und/oder der Ausgabeleitung (14).
  12. Wasserstofftankanlage (10) gemäß Anspruch 11, wobei das Kryopumpensystem (16) und der Wärmetauscher (20) gemeinsam gegenüber der Umgebung zumindest teilweise thermisch isoliert sind.
  13. Wasserstofftankanlage (10) gemäß Anspruch 11 oder 12, wobei der Wärmetauscher (20) als Verdampfer-Wärmetauscher ausgebildet ist.
  14. Kryopumpensystem (16) zur Förderung eines ersten Stroms von kryogenem Wasserstoff von einem Flüssigwasserstofftank (12) zu einer Ausgabeleitung (14), das Kryopumpensystem (16) umfassend:
    - einen Fördereingang (26) für eine Zuleitung des ersten Stroms von kryogenem Wasserstoff aus dem Flüssigwasserstofftank (12);
    - einen Förderausgang (28) für eine Förderung des ersten Stroms von kryogenem Wasserstoff in die Ausgabeleitung (14);
    - einen Wärmetauscher (20) mit einem Kühleingang (30) und einem Kühlausgang (32), wobei der Wärmetauscher (20) dazu ausgestaltet ist, mittels eines über den Kühleingang (30) zugeführten zweiten Stroms von kryogenem Wasserstoff aus dem Flüssigwasserstofftank (12) Wärme des Kryopumpensystems (16) über den Kühlausgang (32) in den Flüssigwasserstofftank (12) abzuführen.
  15. Verwendung eines Wärmetauschers (20) zur Abführung von Wärme eines Kryopumpensystems (16) zur Förderung eines ersten Stroms von kryogenem Wasserstoff aus einem Flüssigwasserstofftank (12) mittels eines zweiten Stroms von aus dem Flüssigwasserstofftank (12) entnommenem und in den Flüssigwasserstofftank (12) zurückgeführtem kryogenem Wasserstoff.
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