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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entnahme eines Gases aus einem
Sorptionsspeicher. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung
zur Speicherung eines Gases gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 9.
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Zur
Speicherung von Gasen, beispielsweise gasförmigen Kohlenwasserstoffen
oder Wasserstoff, werden heute im Allgemeinen Druckgastanks eingesetzt.
Diese können sowohl in stationären Anwendungen,
zum Beispiel zur Beheizung von Gebäuden, oder in mobilen
Anwendungen, so zum Beispiel in gasbetriebenen Kraftfahrzeugen,
zum Einsatz kommen. Hinsichtlich der mobilen Anwendungen sind Druckgastanks
in der Regel für einen Systemdruck von 200 bar ausgelegt
und werden in ein mit gasförmigem Kraftstoff betriebenes
Kraftfahrzeug eingebaut. Die Speicherung erfolgt dabei in üblicher
Weise bei Umgebungstemperatur. Nachteil von Druckgastanks ist unter
anderem, dass insbesondere beim Einsatz in Kraftfahrzeugen besondere
Sicherheitsanforderungen gestellt werden.
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Neben
Druckspeichern geht die Tendenz derzeit dahin, Sorptionsspeicher
einzusetzen. Sorptionsspeicher enthalten im Allgemeinen ein hochporöses
Material. Hierzu eignen sich zum Beispiel Aktivkohle, Zeolithe oder
metallorganische Gerüstverbindungen (Metal Organic Frameworks,
MOF) mit hoher innerer Oberfläche. Das Gas wird im hochporösen Material
adsorbiert und hierdurch gespeichert. Ein Sorptionsspeicher für
Wasserstoff ist zum Beispiel aus
US
6,672,077 bekannt. Der Sorptionsspeicher ist hierbei mit
einem Doppelmantel ausgeführt, der mit flüssigem
Stickstoff gekühlt wird. Durch die Kühlung wird
die Speicherkapazität des Sorptionsspeichers erhöht,
da bei einer niedrigeren Temperatur bei gleich bleibendem Druck
eine größere Menge an Gas aufgenommen werden kann.
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Das
Entleeren des Gasspeichers erfolgt im Allgemeinen bei der Speichertemperatur
des Gastanks. Da das Gas üblicherweise mit einem erhöhten Druck
eingesetzt wird, kann Gas bis zu diesem Druck, dem Arbeitsdruck,
ohne zusätzlichen Energieaufwand entnommen werden. Aufgrund
der höheren Speicherkapazität mit niedrigerer
Temperatur ist jedoch noch eine nicht zu vernachlässigende
Gasmenge im Speicher enthalten. Eine vollständige Leerung ist
nicht möglich. Um das Gas aus dem Speicher zu entnehmen
wird deshalb derzeit der Speicher erwärmt und das Gas bei
Arbeitsdruck entnommen. Alternativ ist auch ein Aufheizen des Speicherbehälters möglich
und eine Entnahme wiederum bei konstanter Temperatur. Dies hat jedoch
einerseits den Nachteil, dass Energie zugeführt werden
muss, um den Speicher zu erwärmen und andererseits ebenfalls
Energie benötigt wird, um nach vollständiger Entnahme den
Speicher wieder auf Speichertemperatur abzukühlen.
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Offenbarung der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zur Entnahme eines
Gases aus einem Sorptionsspeicher umfasst folgende Schritte:
- (a) Entnehmen von Gas bis zum Erreichen eines vorgegebenen
Arbeitsdrucks bei einer konstanten Entnahmetemperatur,
- (b) Entnehmen von Gas nach Erreichen des vorgegebenen Arbeitsdrucks
bei der gleichen Entnahmetemperatur wie in Schritt (a), bis zum
Erreichen eines minimalen Entnahmedrucks,
- (c) Komprimieren des in Schritt (b) entnommenen Gases auf den
vorgegebenen Arbeitsdruck.
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Durch
die Entnahme des Gases auch unterhalb des Arbeitsdrucks aus dem
Sorptionsspeicher und die anschließende Kompression auf
den vorgegebenen Arbeitsdruck ist es nicht mehr notwendig, Energie
zum Heizen und Kühlen des Sorptionsspeichers aufzuwenden.
Zudem ist die Energie, die benötigt wird, um das Gas auf
den vorgegebenen Arbeitsdruck zu komprimieren, kleiner als die Energie,
die zum Heizen und Kühlen des Sorptionsspeichers benötigt
wird.
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Um
das Gas nach Entnahme aus dem Sorptionsspeicher auf den vorgegebenen
Arbeitsdruck komprimieren zu können, ist bei einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Speicherung eines Gases, die einen Sorptionsspeicher
sowie mindestens eine Entnahmeleitung, über die Gas aus
dem Sorptionsspeicher entnommen werden kann, umfasst, die Entnahmeleitung
mit einem Kompressor verbunden. In dem Kompressor ist das Gas, das
dem Sorptionsspeicher bei einem Druck unterhalb dem vorgegebenen
Arbeitsdruck entnommen wird, auf den vorgegebenen Arbeitsdruck komprimierbar.
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Unter
einem Sorptionsspeicher ist erfindungsgemäß ein
Gasspeicher zu verstehen, der ein hochporöses Material
enthält, in dem ein zu speicherndes Gas durch Adsorption
gebunden werden kann. Geeignete hochporöse Materialien
sind zum Beispiel metallorganische Gerüstverbindungen (MOF),
Zeolithe oder Aktivkohle. Auch Mischungen daraus sind denkbar, werden
jedoch üblicherweise nicht eingesetzt.
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Geeignete
poröse metallorganische Gerüstverbindungen sind
zum Beispiel beschrieben in
US 5,648,508 ,
EP-A 0 790 253 ,
M.
O-Keeffe et al., J. Sol. State Chem., 152 (2000), Seite 3 bis 20,
H.
Lee et al., Nature 402 (1999), Seite 276,
M. Eddaoudi
et al., Topics in Catalysis 9 (1999), Seite 105 bis 111,
B.
Chen et al., Science 291 (2001), Seite 1021 bis 1023 und
DE-A 101 11 230 .
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Um
die Speicherkapazität des Sorptionsspeichers zu erhöhen,
wird dieser im Allgemeinen gekühlt. Die Entnahmetemperatur,
bei der das Gas aus dem Absorptionsspeicher entnommen wird, entspricht
dabei vorzugsweise der Speichertemperatur. Um den Sorptionsspeicher
kühlen zu können, ist dieser zum Beispiel mit
einem Doppelmantel und einer außenliegenden Isolierung
ausgestattet. Alternativ ist es auch möglich, zum Beispiel
Kühlschlangen oder ähnliche Kühlvorrichtungen
im Inneren des Sorptionsspeichers vorzusehen. Die Kühlung
erfolgt im Allgemeinen mit flüssigem Stickstoff. Hierbei
ist der Einsatz des Kühlmediums jedoch abhängig
vom zu speichernden Gas und der Temperatur, auf die der Sorptionsspeicher
gekühlt werden soll. Bei höheren Temperaturen
zur Speicherung eignet sich zum Beispiel auch flüssiges
Kohlendioxid oder ein beliebiges anderes Kältemittel. Wenn
die Speicherung bei niedrigeren Temperaturen erfolgen soll, kann
zum Beispiel Helium als Kühlmittel eingesetzt werden.
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Durch
die Isolierung, mit der der Sorptionsspeicher umschlossen ist, wird
vermieden, dass der Sorptionsspeicher von der Umgebung aufgewärmt wird.
Zudem wird die zur Kühlung des Sorptionsspeichers benötigte
Energie reduziert.
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Der
vorgegebene Arbeitsdruck, auf den das Gas komprimiert werden muss,
sobald dieses bei einem Druck unterhalb dem vorgegebenen Arbeitsdruck
entnommen wird, ist abhängig vom Verbraucher, der mit dem
Gas aus dem Sorptionsspeicher versorgt werden soll. So ist zum Beispiel
bei einem Gastransport über eine Leitung, die Ventildrosseln oder ähnliche
Einbauten enthält, ein Minimaldruck erforderlich, um bei
vorgegebenen Ventilquerschnitten bzw. Leitungsquerschnitten die
gewünschte Gasmasse bereitstellen zu können. Dies
ist zum Beispiel bei Einsatz des Sorptionsspeichers zur Brennstoffspeicherung
beispielsweise für ein Kraftfahrzeug oder zum Betrieb einer
Brennstoffzelle notwendig, um die gewünschte Brennleistung
zu erreichen. So ist es zum Beispiel möglich, dass bei
einem Druck unterhalb des vorgegebenen Arbeitsdrucks Leistungseinbußen
hingenommen werden müssen oder sogar Gasdosierventile nicht
mehr öffnen. Übliche Gasverbraucher in einem Kraftfahrzeug
sind zum Beispiel Verbrennungsmotoren bei gasbetriebenen Verbrennungskraftmaschinen
oder Brennstoffzellen. Bei einer stationären Verwendung
des Sorptionsspeichers sind zum Beispiel Feuerungsanlagen oder ebenfalls
Brennstoffzellen als Verbraucher denkbar. Auch hier kann ein zu
niedriger Druck zu Problemen bei der Gasversorgung führen,
so dass das Gas mit einem ausreichenden Arbeitsdruck den Verbrauchern
zugeführt werden muss.
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Das
im Sorptionsspeicher gespeicherte Gas ist ebenfalls abhängig
vom Verbraucher, der mit dem Gas versorgt werden soll. Bei einer
Verbrennungskraftmaschine ist das im Sorptionsspeicher gespeicherte
Gas zum Beispiel ein gasförmiger Kohlenwasserstoff, beispielsweise
Erdgas, Methan, Ethan, Propan oder Butan, insbesondere Erdgas oder
Methan. Bei einer Brennstoffzelle als Verbraucher ist das im Sorptionsspeicher
gespeicherte Gas im Allgemeinen Wasserstoff.
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Wenn
der Sorptionsspeicher als Wasserstoffspeicher eingesetzt wird, lässt
sich jedoch auch jeder beliebige andere Verbraucher, der Wasserstoff benötigt,
aus dem Sorptionsspeicher versorgen.
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Der
minimale Entnahmedruck, bis zu dessen Erreichen Gas aus dem Sorptionsspeicher
entnommen werden kann, ist zum einen abhängig vom Umgebungsdruck
zum anderen vom eingesetzten Kompressor. So ist es zum Beispiel
möglich, mit einem geeigneten Kompressor auch noch Gas
aus dem Sorptionsspeicher zu saugen, wenn der Druck bereits unter
den Umgebungsdruck gefallen ist. Auf diese Weise lässt
sich der Sorptionsspeicher nahezu vollständig entleeren.
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Als
Kompressor, der eingesetzt wird, um einerseits den Sorptionsspeicher
zu entleeren und andererseits um das Gas auf den vorgegebenen Arbeitsdruck
zu komprimieren, lässt sich jeder beliebige, dem Fachmann
bekannte Kompressor einsetzen. Üblicherweise eingesetzte
Kompressoren sind zum Beispiel Hubkolbenverdichter, Membranverdichter, Schraubenverdichter,
Rotationsverdichter, Flüssigkeitsringverdichter, Rootsgebläse,
Drehzahnverdichter und Scrollverdichter.
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Um
den Sorptionsspeicher zu befüllen wird das Gas unter Druck
in den Sorptionsspeicher eingebracht. Bei Einsatz eines geeigneten
Kompressors, beispielsweise bei einem Hubkolbenverdichter oder einem
Rootsgebläse ist es möglich, die Förderrichtung
umzukehren und so über die Entnahmeleitung den Sorptionsspeicher
auch zu befüllen. Alternativ ist es jedoch auch möglich
und bevorzugt, dass der Sorptionsspeicher einen von der Entnahmeleitung getrennten
Anschluss zum Befüllen aufweist. Der Sorptionsspeicher
wird dann über den Anschluss zum Befüllen mit
dem zu speichernden Gas befüllt und über die Entnahmeleitung
entleert.
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Um
das dem Sorptionsspeicher entnommene Gas mit dem Kompressor auf
den Arbeitsdruck zu verdichten, ist es bevorzugt, wenn die Vorrichtung
zur Speicherung des Gases weiterhin eine Steuereinheit umfasst,
mit der der Kompressor angesteuert wird. Der Steuereinheit wird
hierzu vorzugsweise der Druck des Gases im Sorptionsspeicher als
auch der Druck am Ausgang des Kompressors als Eingangsgrößen
zugeführt. Der Kompressor kann dann so angesteuert werden,
dass dieser das Gas auf einen konstanten Druck komprimiert. Hierzu
ist es einerseits möglich, die Kompressorleistung zu variieren, andererseits
ist es auch möglich, den Kompressor bei Bedarf an- und
auszuschalten und mit einer kon stanten Leistung zu betreiben. Bevorzugt
ist es jedoch, die Leistung des Kompressors kontinuierlich zu ändern.
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Um
auch das Gas, das bei einem Druck oberhalb des vorgegebenen Arbeitsdrucks
aus dem Sorptionsspeicher entnommen wird, auf den vorgegebenen Arbeitsdruck
zu bringen, ist es weiterhin bevorzugt, wenn parallel zum Kompressor
ein Drosselventil vorgesehen ist, in dem das Gas auf den vorgegebenen
Arbeitsdruck entspannt werden kann. Das Drosselventil wird ebenfalls
vorzugsweise durch die Steuereinheit angesteuert. Insbesondere ist
es bevorzugt, wenn das Drosselventil in einem Bypass zum Kompressor
in der Entnahmeleitung aufgenommen ist. So wird das dem Sorptionsspeicher
entnommene Gas bis zum Erreichen des vorgegebenen Arbeitsdrucks über
das Drosselventil geleitet und nach Erreichen des vorgegebenen Arbeitsdrucks
bei einem Druck unterhalb dem vorgegebenen Arbeitsdruck durch den
Kompressor. Hierzu ist es zum Beispiel möglich ein 3-Wege-Ventil
vorzusehen, welches entweder die Leitung vom Sorptionsspeicher zum Drosselventil
oder die Leitung vom Sorptionsspeicher zum Kompressor öffnet.
Das 3-Wege-Ventil wird dabei ebenfalls vorzugsweise durch die Steuereinheit
angesteuert. Auf diese Weise ist es möglich, dass das Gas
immer mit konstantem Druck, nämlich vorzugsweise dem vorgegebenen
Arbeitsdruck, zum Verbraucher transportiert wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung zur Speicherung eines
Gases,
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2 das
Verfahren zur Entnahme des Gases in einem Speicherkapazität-Druck-Diagramm
am Beispiel von Wasserstoff.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist
schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Speicherung eines Gases dargestellt.
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Eine
Vorrichtung 1 zur Speicherung eines Gases umfasst einen
Tank 3, der einen Sorptionsspeicher 5 enthält.
Der Sorptionsspeicher 5 ist ein geeignetes poröses
Material, in dem Gas adsorbieren kann. Geeignete Materialien für
den Sorptionsspeicher 3 sind zum Beispiel Aktivkohle, Zeolithe
oder poröse metallorganische Gerüstverbindungen.
Besonders bevorzugt ist der Sorptionsspeicher 5 eine metallorganische
Gerüstverbindung.
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Das
Material des Sorptionsspeichers, insbesondere die metallorganische
Gerüstverbindung enthält Poren, insbesondere Mikro-
und/oder Mesoporen. Mikroporen sind definiert als solche mit einem Durchmesser
von 2 nm oder kleiner und Mesoporen sind definiert durch einen Durchmesser
im Bereich von 2 bis 50 nm, jeweils entsprechend nach der Definition,
wie sie in Pure Applied Chem. 45, Seite 71 ff., insbesondere
auf Seite 79 (1976) angegeben ist. Die Anwesenheit von
Mikro- und/oder Mesoporen kann mit Hilfe von Sorptionsmessungen überprüft
werden, wobei diese Messungen die Aufnahmekapazität der Sorptionsmaterialien
für Stickstoff bei 77 K gemäß DIN
66131 und/oder DIN 66134 bestimmen.
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Die
spezifische Oberfläche einer eingesetzten metallorganischen
Gerüstverbindung beträgt vorzugsweise – berechnet
nach dem Langmuir-Modell (DIN 66131, DIN
66134) für eine metallorganische Gerüstverbindung
in Pulverform bei mehr als 5 m2/g, mehr
bevorzugt über 10 m2/g, mehr bevorzugt
mehr als 50 m2/g, weiter mehr bevorzugt
mehr als 500 m2/g, weiter mehr bevorzugt
mehr als 1000 m2/g und besonders bevorzugt
mehr 1500 m2/g.
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Formkörper
aus einer metallorganischen Gerüstverbindung können
eine niedrigere spezifische Oberfläche besitzen; vorzugsweise
jedoch mehr 10 m2/g, mehr bevorzugt als
50 m2/g, weiter mehr bevorzugt mehr als
500 m2/g und insbesondere mehr als 1000
m2/g.
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Bei
einer metallorganischen Gerüstverbindung kann die Porengröße
zum Beispiel durch die Wahl eines geeigneten Liganden und/oder der
mindestens zweizähnigen organischen Verbindung gesteuert
werden. Allgemein gilt, dass je größer die organische
Verbindung desto größer die Porengröße ist.
Vorzugsweise beträgt die Porengröße von
0,2 nm bis 30 nm, besonders bevorzugt liegt die Porengröße im
Bereich von 0,3 nm bis 3 nm bezogen auf das kristalline Material.
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In
einem Formkörper aus einer metallorganischen Gerüstverbindung
treten jedoch auch größere Poren auf, deren Größenverteilung
variieren kann. Vorzugsweise wird jedoch mehr als 50% des gesamten
Porenvolumens, insbesondere mehr als 75%, von Poren mit einem Porendurchmesser
bis zu 1000 nm gebildet. Vorzugsweise wird jedoch ein Großteil des
Porenvolumens von Poren aus zwei Durchmesserbereichen gebildet.
Es ist daher weiter bevorzugt, wenn mehr als 25% des gesamten Porenvolumens, insbesondere
mehr als 50% des gesamten Porenvolumens von Poren gebildet wird,
die in einem Durchmesserbereich von 100 nm bis 800 nm liegen und wenn
mehr als 15% des gesamten Porenvolumens, insbesondere mehr als 25%
des gesamten Porenvolumens von Poren gebildet wird, die in einem
Durchmesserbereich von bis zu 10 nm liegen. Die Porenverteilung
kann zum Beispiel mittels Quecksilber-Porosimetrie bestimmt werden.
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Erfindungsgemäß wird
der Sorptionsspeicher 5 zur Erhöhung der Aufnahmekapazität
gekühlt. Zur Kühlung ist es zum Beispiel möglich,
den Sorptionsspeicher 3 mit einem Doppelmantel zu umschließen.
Der Doppelmantel kann dann mit einem geeigneten Kühlmittel
durchströmt werden. Alternativ ist es jedoch zum Beispiel
jedoch auch möglich, geeignete Austauschmittel im Inneren
des Sorptionsspeichers vorzusehen, um den Sorptionsspeicher 5 zu
kühlen. Als Austauschmittel können im Sorptionsspeicher 5 zum
Beispiel Rohrschlangen oder Wärmetauscherplatten enthalten
sein. Diese werden dann ebenfalls von einem geeigneten Kühlmittel
durchströmt. In Abhängigkeit vom zu speichernden
Gas und der Temperatur, bei der Gas gespeichert werden soll, eignen sich
unterschiedliche Kühlmittel. Bevorzugt wird der Sorptionsspeicher 5 jedoch
mit flüssigem Stickstoff gekühlt. Die Verwendung
von flüssigem Stickstoff erlaubt im Allgemeinen eine Kühlung
des Sorptionsspeichers auf bis zu 77 K.
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Um
zu vermeiden, dass sich der Sorptionsspeicher 5 durch Wärmeaustausch
mit der Umgebung aufwärmt und um hierdurch auch die benötigte Kühlleistung
zum Kühlen des Sorptionsspeichers 5 zu reduzieren,
ist der Sorptionsspeicher 5 von einer Wärmeisolierung 9 umschlossen.
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In
der hier dargestellten Ausführungsform ist der Sorptionsspeicher 5 mit
einem Anschluss 11 versehen, über den der Sorptionsspeicher 5 mit
dem zu speichernden Gas befüllt werden kann. Hierzu wird der
Anschluss 11 mit einer Zulaufleitung verbunden. Um ein
Ausströmen des Gases aus dem Sorptionsspeicher 5 über
den Anschluss 11 zu vermeiden und zudem ein Befüllen
zur erlauben, ist im Anschluss 11 ein Betankungsventil 13 aufgenommen.
Das Betankungsventil 13 ist zum Beispiel ein Rückschlagventil, das öffnet,
sobald der Druck in der Zulaufleitung größer ist
als der Druck im Sorptionsspeicher 5. Ein Druck im Sorptionsspeicher 5,
der größer ist als der in der Zulaufleitung führt
dazu, dass das Betankungsventil 13 schließt. Hierdurch
wird vermieden, dass Gas aus dem Sorptionsspeicher 5 über
den ersten Anschluss 11 ausströmen kann.
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Über
eine Entnahmeleitung 15 wird Gas aus dem Sorptionsspeicher 5 entnommen.
Solange der Druck im Sorptionsspeicher 5 höher
ist als ein vorgegebener Arbeitsdruck strömt das Gas in
der hier dargestellten Ausführungsform über einen
Bypass 17, in dem ein Entnahmeventil 19 angeordnet
ist. Durch das Entnahmeventil 19 lässt sich die
Menge und der Druck des Gases, das über den zweiten Anschluss 15 entnommen
wird, einstellen. So ist es zum Beispiel möglich, das Gas
so zu entnehmen, dass der Druck in der Entnahmeleitung 15 nach
dem Bypass 17 jeweils dem vorgegebenen Arbeitsdruck entspricht.
Um die Entnahme des Gases aus dem Sorptionsspeicher 5 zu
beenden kann das Entnahmeventil 19 zum Beispiel geschlossen
werden.
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Sobald
der Druck im Sorptionsspeicher 5 unter den vorgegebenen
Arbeitsdruck fällt wird das über die Entnahmeleitung 15 entnommene
Gas über einen Kompressor 21 geführt.
In dem Kompressor 21 wird das aus dem Sorptionsspeicher 5 entnommene Gas
auf den vorgegebenen Arbeitsdruck komprimiert. Als Kompressor 21 eignet
sich dabei jeder beliebige, dem Fachmann bekannte Kompressor.
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Um
das Gas aus dem Sorptionsspeicher 5 wahlweise über
den Kompressor 21 oder das Entnahmeventil 19 entnehmen
zu können, ist in der Entnahmeleitung 15 ein 3-Wege-Ventil 23 aufgenommen.
Das 3-Wege-Ventil 23 lässt sich so schalten, dass
das aus dem Sorptionsspeicher 5 ausströmende Gas
entweder über den Bypass 17 und das Entnahmeventil 19 strömt
oder alternativ durch den Kompressor 21.
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Der
vorgegebene Arbeitsdruck ist, wie vorstehend bereits beschrieben,
vom Einsatzzweck des im Sorptionsspeicher 5 gespeicherten
Gases abhängig. So lässt sich der Sorptionsspeicher 5 zum
Beispiel einsetzen um einen Brennstoff zu speichern. Der Brennstoff
kann zum Beispiel zum Betrieb einer gasbetriebenen Verbrennungskraftmaschine
eingesetzt werden. Auch ist es zum Beispiel denkbar, dass das Gas
zum Betrieb einer Gasturbine verwendet wird. Bevorzugt wird ein
erfindungsgemäßer Sorptionsspeicher 5 jedoch
auch zum Speichern eines Brennstoffs für eine Brennstoffzelle
eingesetzt. Als Brenngas für eine Brennstoffzelle eignen
sich zum Beispiel Wasserstoff oder gasförmige Kohlenwasserstoffe
wie Methan oder Erdgas.
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Wenn
der Sorptionsspeicher 5 zur Speicherung eines Brenngases
für eine Brennstoffzelle eingesetzt wird, so liegt der
vorgegebene Arbeitsdruck im Allgemeinen im Bereich von 1 bis 20
bar, bevorzugt im Bereich von 2 bis 15 bar. Bei Verwendung des Sorptionsspeichers 5 zum
Betrieb einer Brennstoffzelle liegt der Arbeitsdruck vorzugsweise
im Bereich von 3 bis 5 bar.
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Um
diesen Arbeitsdruck zu erreichen und den Sorptionsspeicher 5 möglichst
effektiv nutzen zu können, das heißt möglichst
sämtliches im Sorptionsspeicher 5 gespeicherte
Gas einzusetzen, wird der Kompressor 21 eingesetzt, mit
dem das Gas aus dem Sorptionsspeicher 5 auf den vorgegebenen
Arbeitsdruck komprimiert werden kann, sobald das Gas aus dem Sorptionsspeicher 5 mit
einem Druck unterhalb dem vorgegebenen Arbeitsdruck entnommen wird.
Die Entnahme des Gases aus dem Sorptionsspeicher 5 bei
einem Druck unterhalb des vorgegebenen Arbeitsdrucks erlaubt es,
den Sorptionsspeicher 5 konstant zu temperieren. Eine Erwärmung,
um weiteres Gas zu entnehmen, ist nicht notwendig. Hierdurch kann
Energie, die anderenfalls benötigt würde, um den
Sorptionsspeicher 5 zu erwärmen, gespart werden.
Der Energiebedarf zum Betrieb des Kompressors 21 ist im
Allgemeinen niedriger als der Energiebedarf, der benötigt
würde, um den Sorptionsspeicher 5 zunächst
aufzuwärmen und zum erneuten Befüllen wieder abzukühlen.
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Wenn
auf den ersten Anschluss 11 zum Befüllen verzichtet
werden soll, so ist es in der hier dargestellten Ausführungsform
alternativ auch möglich, den Sorptionsspeicher 5 über
den zweiten Anschluss 15 zu befüllen. In diesem
Fall erfolgt das Befüllen des Sorptionsspeichers zum Beispiel über
den Bypass 17 und das Entnahmeventil 19. Bei Einsatz
eines Kompressors 21, der ein Durchströmen entgegen
der Förderrichtung erlaubt, ist es auch möglich,
den Sorptionsspeicher 5 zum Beispiel über die
Leitung zu befüllen, in der der Kompressor 21 aufgenommen
ist.
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Wenn
ein Kompressor 21 eingesetzt wird, der ein Durchströmen
mit dem im Sorptionsspeicher 5 enthaltenen Gas erlaubt,
ohne betrieben zu werden, ist es alternativ auch möglich,
auf den Bypass 17 zu verzichten und das Gas immer über
den Kompressor 21 strömen zu lassen. Eine Einstellung
der Fördermenge bzw. des gewünschten Drucks ist
dann zum Beispiel durch Verwendung eines Entnahmeventils möglich,
das in Strömungsrichtung entweder vor dem Kompressor 21 oder
hinter dem Kompressor 21 in der Entnahmeleitung 15 angeordnet
ist.
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Zur
Steuerung der Entnahme des Gases aus dem Sorptionsspeichers 5 ist
weiterhin eine Steuereinheit 25 umfasst. Mit der Steuereinheit 25 wird
zum einen das 3-Wege-Ventil 23 angesteuert, um entweder
den Bypass 17 oder die Leitung über den Kompressor 21 anzusteuern.
Weiterhin kann mit der Steuereinheit 25 auch das Entnahmeventil 19 zur
Einstellung des Drucks und des zu entnehmenden Gases eingestellt
werden. Weiterhin wird über die Steuereinheit 25 vorzugsweise
auch der Kompressor 21 angesteuert, so dass mit dem Kompressor 21 unabhängig
vom Druck im Sorptionsspeicher 5 das Gas auf den vorgegebenen
Arbeitsdruck komprimiert wird. Um das Gas im Kompressor 21 auf
den vorgegebenen Arbeitsdruck komprimieren zu können bzw.
im Entnahmeventil 19 auf den vorgegebenen Arbeitsdruck
entspannen zu können, ist in der Entnahmeleitung 15 hinter
dem Kompressor 21 und dem Entnahmeventil 19 ein
erster Drucksensor 27 positioniert. Der erste Drucksensor 27 befindet
sich dabei vorzugsweise an einer Position der Entnahmeleitung 15, die
sich hinter der Einmündung des Bypasses 17 in die
Entnahmeleitung 15 befindet. Alternativ wäre es jedoch
auch möglich, den Druck mit Hilfe von Drucksensoren zum
Beispiel unmittelbar hinter dem Kompressor 21 und im Bypass 17 hinter
dem Entnahmeventil 19 zu messen. Bevorzugt ist jedoch ein
einzelner Drucksensor.
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Mit
Hilfe eines zweiten Drucksensors 29 wird der Druck im Sorptionsspeicher 5 erfasst.
Solange der Druck im Sorptionsspeicher 5 oberhalb dem vorgegebenen
Arbeitsdruck liegt, wird das Gas über dem Bypass 17 und
das Entnahmeventil 19 entnommen. Sobald der mit dem zweiten
Drucksensor 29 erfasste Druck im Sorptionsspeicher 5 auf
den vorgegebenen Arbeitsdruck bzw. einen Druck unterhalb dem vorgegebenen
Arbeitsdruck sinkt, wird das 3-Wege-Ventil 23 umgeschaltet
und das Gas aus dem Sorptionsspeicher 5 über den
Kompressor 21 entnommen.
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Zusätzlich
wird im Sorptionsspeicher 5 vorzugsweise mit Hilfe eines
Temperatursensors 31 auch die Temperatur gemessen. Vorzugsweise
wird der Sorptionsspeicher 5 so gekühlt, dass
die Temperatur im Sorptionsspeicher 5 konstant bleibt.
Dies lässt sich mit Hilfe des Temperatursensors 31 überwachen.
Der Kühlkreislauf, zur Einstellung der Temperatur im Sorptionsspeicher 5 wird
dabei vorzugsweise ebenfalls über die Steuereinheit 25 gesteuert.
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Durch
Verwendung des Kompressors 21 lässt sich Gas aus
dem Sorptionsspeicher 5 entnehmen, bis ein minimaler Entnahmedruck
erreicht wurde. Der minimale Entnahmedruck ergibt sich aus der Leistung
des Kompressors 21 bzw. dem Umgebungsdruck. Je nach Leistung
des Kompressors 21 ist es zum Beispiel möglich,
Gas aus dem Sorptionsspeicher 5 zu entnehmen, bis ein Druck
unterhalb dem Umgebungsdruck erreicht worden ist. Im Allgemeinen
wird jedoch Gas aus dem Sorptionsspeicher 5 nur bis zum
Erreichen des Umgebungsdruckes entnommen.
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In 2 ist
der Entnahmevorgang in einen Speicherkapazität-Druck-Diagramm
am Beispiel für Wasserstoff dargestellt. Weiterhin sind
in 2 Adsorptions-Isothermen für Wasserstoff
an einem Cu3(BTC)2-MOF
(Basolite C300-STR 3.5 der BASF SE) dargestellt.
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Auf
der Abszisse 41 ist der Druck p des Wasserstoffs in bar
dargestellt. Die Ordinate 43 zeigt den Gehalt an Wasserstoff
in mol pro 50 kg MOF. Im Diagramm sind Adsorptionsisothermen 45 bei
unterschiedlichen Temperaturen dargestellt. Die jeweilige Temperatur
der Adsorptionsisotherme ist dieser zugeordnet. Es lässt
sich erkennen, dass die Speicherkapazität des Sorptionsspeichers
mit zunehmender Temperatur abnimmt und jeweils eine geringere Menge
an Wasserstoff vom Sorptionsspeicher aufgenommen werden kann. Auch
ist zu erkennen, dass die Beladung an Wasserstoff bei niedrigen
Temperaturen bereits bei klei nen Drücken sehr viel höher
ist als die maximal mögliche Beladung bei einer höheren
Temperatur.
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Anhand
des Verlaufs der Isothermen ist zu erkennen, dass bei gleich bleibendem
Druck durch eine Temperaturerhöhung Gas aus dem Speicher entnommen
werden kann. Diese Temperaturerhöhung führt jedoch
dazu, dass zunächst Energie zugeführt werden muss,
um den Sorptionsspeicher aufzuheizen und anschließend erneut
Energie benötigt wird, um diesen wieder abzukühlen.
Erfindungsgemäß wird deshalb das Gas, in dem hier
dargestellten Ausführungsbeispiel der Wasserstoff, bei
konstanter Temperatur entnommen. Der Sorptionsspeicher wird mit
Hilfe von flüssigem Stickstoff auf eine Temperatur von
80 K gekühlt. Dies entspricht einem Siededruck des Stickstoffs
von 1,2 bar. Der Sorptionsspeicher wird mit Wasserstoff befüllt,
bis ein Druck von 20 bar herrscht. Der maximale Füllstand
des Sorptionsspeichers ist mit einem Punkt mit Bezugszeichen 47 dargestellt.
Der Wasserstoff wird im Sorptionsspeicher nun bei konstanter Temperatur
von 80 K entnommen, bis der vorgegebene Arbeitsdruck erreicht ist.
In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel liegt der
vorgegebene Arbeitsdruck bei 5 bar. Das Erreichen des vorgegebenen
Arbeitsdruckes ist mit einem Punkt mit dem Bezugszeichen 49 markiert.
Bei Erreichen des vorgegebenen Arbeitsdruckes ist, wie in 2 gut
zu erkennen ist, noch eine große Menge an Wasserstoff im
Sorptionsspeicher enthalten. Dieser wird dem Sorptionsspeicher weiter
bei konstanter Temperatur von 80 K entnommen, bis ein minimaler
Entnahmedruck erreicht ist. Der Punkt, an dem der minimale Entnahmedruck
erreicht ist, ist mit dem Bezugszeichen 51 gekennzeichnet.
Der minimale Entnahmedruck ist zum Beispiel der Umgebungsdruck oder
ein beliebiger Druck unterhalb des Umgebungsdrucks, der mit Hilfe
des Kompressors 21 im Sorptionsspeicher erzielt werden
kann.
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Das
dem Sorptionsspeicher mit einem Druck unterhalb dem vorgegebenen
Arbeitsdruck entnommene Gas wird nach der Entnahme auf den vorgegebenen
Arbeitsdruck komprimiert. Beispielhaft ist dies in 2 für
das bei dem minimalen Entnahmedruck entnommene Gas dargestellt.
Das Gas wird auf den geforderten vorgegebenen Arbeitsdruck von 5
bar komprimiert. Der Punkt, auf den das Gas komprimiert wird, ist
mit dem Bezugszeichen 53 gekennzeichnet. Durch das Komprimieren
auf den vorgegebenen Arbeitsdruck erfolgt eine Aufheizung des Gases,
in diesem Fall des Wasserstoffs.
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Neben
der Speicherung von Wasserstoff lässt sich auch jedes beliebige
andere Gas in einem Sorptionsspeicher speichern und auf die erfindungsgemäße
Art entnehmen. Auch ist es möglich, bei einer von 80 K
verschiedenen Temperatur Gas im Sorptionsspeicher zu speichern.
Die Speichertemperatur ist dabei abhängig vom eingesetzten
Kühlmedium und dem zu speichernden Gas.
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Bei
einer verbleibenden Wasserstoffmasse im Sorptionsspeicher von 2,5
kg bei Erreichen des vorgegebenen Arbeitsdrucks ergibt sich ein
Energieaufwand zum Komprimieren des Gases auf den vorgegebenen Arbeitsdruck
von 5 bar von 1,75 MJ, wenn davon ausgegangen wird, dass die gesamte Wasserstoffmasse
von 2,5 kg von 0,5 auf 5 bar komprimiert werden müsste.
Der tatsächliche Energieaufwand ist jedoch kleiner, da
für einen großen Teil des Wasserstoffs eine Kompression
von einem höheren Druck als 0,5 bar notwendig ist.
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Zusätzlich
ergibt sich der Kühlaufwand für die Kühlung
des Speichermaterials beim Beladen des Speichers von 80 K auf 77
K, der einen Energieaufwand von 1,35 MJ erfordert. Die Temperatur
von 77 K ist dabei die Temperatur des flüssigen Stickstoffs,
mit dem der Speicher gekühlt wird.
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Daraus
ergibt sich eine Summe von 3,1 MJ, die benötigt wird, um
den Sorptionsspeicher nahezu vollständig entladen und wieder
beladen zu können. Der Energieaufwand liegt dabei bei ungefähr
0,5% der gespeicherten Energie.
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Im
Unterschied dazu wird bei einer Entnahme des Wasserstoffs durch
Aufheizen werden demgegenüber 8,4 MJ an Energie zum Heizen
des Sorptionsspeichers benötigt und weitere 41,9 MJ, um
den Sorptionsspeicher wieder auf Speichertemperatur abzukühlen.
Das heißt, dass insgesamt für Heizung und Kühlung
des Speichers 50,3 MJ aufgewendet werden müssen. Dies entspricht
8,4% der im Wasserstoff gespeicherten Energie.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6672077 [0003]
- - US 5648508 [0009]
- - EP 0790253 A [0009]
- - DE 10111230 A [0009]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - M. O-Keeffe
et al., J. Sol. State Chem., 152 (2000), Seite 3 bis 20 [0009]
- - H. Lee et al., Nature 402 (1999), Seite 276 [0009]
- - M. Eddaoudi et al., Topics in Catalysis 9 (1999), Seite 105
bis 111 [0009]
- - B. Chen et al., Science 291 (2001), Seite 1021 bis 1023 [0009]
- - Pure Applied Chem. 45, Seite 71 ff., insbesondere auf Seite
79 (1976) [0026]
- - DIN 66131 [0026]
- - DIN 66134 [0026]
- - DIN 66131 [0027]
- - DIN 66134 [0027]