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DE19730459C2 - Vorrichtungen und Verfahren zur Isothermen Betankung von Erdgasfahrzeugen mit komprimiertem Erdgas CNG - Google Patents

Vorrichtungen und Verfahren zur Isothermen Betankung von Erdgasfahrzeugen mit komprimiertem Erdgas CNG

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DE19730459C2
DE19730459C2 DE19730459A DE19730459A DE19730459C2 DE 19730459 C2 DE19730459 C2 DE 19730459C2 DE 19730459 A DE19730459 A DE 19730459A DE 19730459 A DE19730459 A DE 19730459A DE 19730459 C2 DE19730459 C2 DE 19730459C2
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit mindestens einem als Fahrzeugtank eingesetzten Druckgasbehälter zur Aufnahme eines komprimierten gasförmigen Kraftstoffes für den Antrieb des Fahrzeugs, insbesondere von Erdgas oder eines H¶2¶-reichen Gases, mit mindestens einer durch ein Ventil gasdicht verschließbaren Einströmöffnung für den zu tankenden gasförmigen Kraftstoff. Hierbei ist im Druckgasbehälter eine Wärmesenke angeordnet.

Description

Die betriebliche Praxis bei Tankvorgängen von Erdgasfahrzeugen zeigt, daß während des Tankvorganges die Temperatur des getankten Erdgases im Fahrzeugtank unkontrolliert an­ steigt. Nach Beendigung des Tankvorganges findet ein Temperaturausgleich mit der Umge­ bung statt, der in der Regel dazu führt, daß der Tank des Erdgasfahrzeuges zwar zulässig be­ füllt, aber nicht voll ist, wie von Meyer u. a. in gwf Gas/Erdgas, 138 (1997), ausgeführt. Der Füllstand ist außerdem von saisonalen Einflüssen abhängig. Eine Minderfüllung des Tanks schränkt den Aktionsradius von Erdgasfahrzeugen unnötig ein und ist somit ein Hindernis für die Verbreitung von Erdgasfahrzeugen, die aus ökologischen Gründen wünschenswert wäre. Durch eine Erhöhung des Betriebsdruckes der Erdgastankstelle und eine Verlängerung der Tankzeit auf mehr als drei Minuten kann dem Problem der Minderfüllung begegnet werden. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit sollten Erdgasfahrzeuge jedoch in kürzester Zeit vollge­ tankt werden, ohne die Erdgastankstelle mit sicherheitstechnisch bedenklichen Drücken betrei­ ben zu müssen. Um dieses Ziel zu erreichen, muß über die Weiterentwicklung der heutigen Technik nachgedacht werden.
Fig. 1 zeigt in einer Prinzipskizze eine Erdgastankstelle gemäß dem Stand der Technik (Meyer, s. o.).
In Fig. 1 ist der Gasspeicher 1 der Erdgastankstelle 10 dargestellt, aus dem Erdgas durch eine Leitung 3 in den zu betankenden Fahrzeugbehälter 2 des Erdgasfahrzeuges strömt. Der Gas­ speicher 1 der Erdgastankstelle ist im Vergleich zum Fahrzeugbehälter 2 groß.
Auf eine detailierte Darstellung mit Ventilen, Zapfsäule usw. wird in der Prinzipskizze verzich­ tet. Während des Tankvorganges darf die Temperatur im Gasspeicher 1 der Erdgastankstelle als konstant betrachtet werden, im Gegensatz zum Fahrzeugbehälter 2. Dort steigt die Tempe­ ratur des getankten Erdgases erheblich an und erreicht die Maximaltemperatur beim Druck­ ausgleich mit dem Gasspeicher der Erdgastankstelle. Unter der Voraussetzung, daß ein evaku­ ierter Fahrzeugbehälter betankt wird, ergibt sich die Maximaltemperatur aus:
T2' = χT1 (1)
mit: T2' = Temperatur des Erdgases im Fahrzeugbehälter nach (') dem Tanken in K,
χ = Isentropenexponent,
T1 = Temperatur des Erdgases in der Tankstelle in K.
Nachdem der Tankvorgang beendet ist, gibt das getankte Erdgas seine Kompressionswärme über die Wandflächen 2' des Fahrzeugbehälters an die Umgebung ab. Um den Fahrzeugbehäl­ ter gemäß den Vorgaben der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) zu befüllen, muß das getankte Erdgas die Kompressionswärme ΔQ abgeben.
mit: m2' = Erdgasmasse im Fahrzeugbehälter nach (') dem Tanken in kg,
cv = spezifische Wärmekapazität des Erdgases bei konstantem Volumen in kJ/kg K,
T2'= Temperatur des Erdgases im Fahrzeugbehälter nach (') dem Tanken in K,
TPTB = Fülltemperatur der PTB in K.
Mit der Vorgabe einer Tankzeit muß dem Erdgas der Wärmestrom Q entzogen werden, damit der Behälter vollständig befüllt werden kann
Die Bauarten der Fahrzeugtanks für Erdgasfahrzeuge haben sich von Stahlbehältern über Ver­ bundbehälter bis hin zu reinen Kunststoffbehältern entwickelt. Die Wärmedurchgängigkeit von Verbund- und reinen Kunststoffbehältern ist wesentlich schlechter als bei Stahlbehältern. Da Verbund- und reine Kunststoffbehältern sehr leicht sind und hohe Festigkeiten haben, wird diesen Behältern die Zukunft gehören.
Weiter sind auch die thermodynamischen Grundlagen für einen strömungstechnisch optimierten Tankvorgang in Meyer, s. o., beschrieben.
Auf das System Erdgastankstelle und Fahrzeugbehälter gemäß Fig. 1 wird der 1. Hauptsatz für geschlossene Systeme angewendet
dQ + dW = dU (4)
Im System Erdgastankstelle und Fahrzeugbehälter befindet sich während des Tankvorganges eine konstante Erdgasmasse. Der Tankvorgang verläuft quasi adiabat (dQ = 0) und es wird keine Arbeit (dW = 0) über die Systemgrenze transportiert. Damit ist die Änderung der inne­ ren Energie während des Tankvorganges Null (dU/dt = 0) und die Summe der inneren Ener­ gie im System konstant (ΣU = U1 + U2 = konst.). Mit der Definition der inneren Energie U = mcvT folgt, daß die Temperatur im System vor und nach dem Tankvorgang gleich sein muß. Dies setzt voraus, daß es sich vor und nach dem Tankvorgang um Gleichgewichtszustän­ de handelt. Innerhalb der kurzen Tankzeit kann bei der heute üblichen Betankungstechnik je­ doch kein Gleichgewichtszustand am Ende des Tankvorganges im Fahrzeugbehälter erreicht werden, weshalb man den Tankvorgang strömungstechnisch optimieren muß.
Aus der EP 0653585 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zu dessen Durchführung bekannt, bei dem eine möglichst vollständige Füllung eines Druckbehälters dadurch erreicht wird, daß dieser Behälter vorübergehend auf einen über dem zulässigen Befülldruck liegenden Druck aufgefüllt wird. Dieser Druck ist so bemessen, daß nach Abkühlung eines eingefüllten Gases auf Umgebungstemperatur der gewünschte Fülldruck erreicht wird. Der vorübergehend einzustellende höhere Befülldruck wird bei diesem Verfahren mittels eines mathematischen Modells, das den Zusammenhang zwischen Masse und Druck des Gases in Abhängigkeit von der Temperatur repräsentiert, ermittelt, indem bestimmte Teilmengen der Füllung in den Druckbehälter eingefüllt werden und der dadurch jeweils entstehende Druck gemessen wird.
Nachteilig hierbei ist, daß das Gas auf einen deutlich über dem angestrebten Fülldruck liegenden Druck komprimiert werden muß.
Ausgehend von diesen theoretischen Überlegungen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Vorrichtungen und Verfahren zu schaffen, mit denen auf konstruktiv einfache und kostengün­ dige Weise den Fahrzeugbehältern die beim Befüllen entstehende Wärme entzogen werden kann, so daß Über- und Minderfüllungen des Fahrzeugbehälters ausgeschlossen sind und der Fahrzeugbehälter trotzdem zügigst, insbesondere quasi kontinuierlich, befüllt werden kann.
Diese Aufgabe wird grundlegend durch eine im Fahrzeugbehälter vorgesehene Wärmesenke gelöst, wobei in einem ersten Aspekt fahrzeugseitig ein Wärmerohr vorgesehen ist, und in ei­ nem zweiten Aspekt verfahrenstechnisch eine strömungstechnische Optimierung des Tankvor­ ganges geschaffen wird. Die vorgenannten Optimierungen bedingen wiederum einerseits fahr­ zeugseitige, andererseits tankstellenseitige konstruktive Änderungen.
Gemäß der ersten Lösungsalternative reicht ein Wärmerohr in den Fahrzeugbehälter hinein.
Das Wärmerohr ist in der Lage, große Wärmeströme aus dem getankten und damit warmen Erdgas im Fahrzeugbehälter an die Umgebung zu leiten oder einem Kühlmedium zu übergeben.
Das Wärmerohr dient zur Thermostatisierung des Fahrzeugbehälters. Die während des Tank­ vorganges im Fahrzeugbehälter anfallende Wärme kann von dem Wärmerohr direkt aus dem Fahrzeugbehälter abgeleitet werden.
Der verfahrensmäßige Grundgedanke des optimierten Tankvorganges besteht darin, einen Druckausgleich zwischen dem Gasspeicher der Erdgastankstelle und dem Fahrzeugbehälter herzustellen und anschließend das in den Fahrzeugbehälter getankte und damit warme Erdgas im geschlossenen Kreislauf zwischen dem Gasspeicher der Erdgastankstelle und dem Fahr­ zeugbehälter umzupumpen. Der Umpumpvorgang hat die Wirkung einer Wärmesenke im Fahrzeugbehälter.
Die beiden Lösungsalternativen werden nun anhand der schematisierten Zeichnungen erläutert, in der:
Fig. 1 schematisch eine Erdgastankstelle mit dem Stand der Technik zeigt;
Fig. 2 schematisch einen Fahrzeugbehälter mit Wärmerohr zeigt; und
Fig. 3 schematisch eine Erdgastankstelle mit geschlossenem Kreislauf zum Umpumpen des Erdgases zeigt.
In Fig. 2 ist der zu betankende Behälter 12 mit Einströmöffnung 15 und Wärmerohr 20 ge­ mäß der ersten Lösungsalternative gezeigt.
Das Wärmerohr 20 ist ein massediches Rohr mit einer Heiz- 21 und einer Kühlzone 22, in dem sich ein vorzugsweise zweiphasiges Arbeitsmittel befindet. Das Wärmerohr ist vorzugsweise am einströmöffnungsfernen Ende des Fahrzeugbehälters (12) vorgesehen, da hier ein Tempera­ turmaximum innerhalb des Gases aufgrund der Komressions- und Dissipationserwärmung zu erwarten ist. In der Heizzone 21 wird ein Wärmestrom Q vom Erdgas im Fahrzeugbehälter auf das Arbeitsmittel im Wärmerohr 20 übertragen, wodurch das Arbeitsmittel verdampft. Der Arbeitsmitteldampf strömt zur Kühlzone 22 des Wärmerohres 20, um dort zu kondensieren und den Wärmestrom Q einem Kühlmedium oder der Umgebung zu übertragen. Das Konden­ sat strömt, an der Rohrwand beispielsweise durch eine Kapilarstruktur angetrieben, in die Ver­ dampfungszone des Wärmerohres zurück, womit sich der Arbeitsmittel-Kreislauf des Wär­ merohres 20 schließt.
Der Phasenübergang zweiphasiger Arbeitsmittel, wie im einzelnen von Brost u. a. in Wär­ merohre, Teil I und II, Wärme Band 86, ausgeführt, ermöglicht das große Wärmeübertra­ gungsvermögen von Wärmerohren, die weder auf Pumpen oder sonstige mechanische Einrich­ tungen angewiesen sind. Es erlaubt den Transport großer Wärmeströme bei kleinen Tempera­ turdifferenzen und übersteigt die Wärmeleitfähigkeit gut leitender Metalle um Größenordnun­ gen, so daß der Fahrzeugbehälter durch das Wärmerohr thermostatisiert wird und quasi iso­ therm bis zur Füllgrenze betankt werden kann.
Bei starker Sonneneinstrahlung können sich Erdgasbehälter, die beispielsweise auf Bussen oder im Kofferraum von PKW's montiert sind, stark erwärmen. Auch in diesem Fall ist von Vorteil, daß ein Wärmerohr das Erdgas im Fahrzeugbehälter kühlen kann.
Fig. 3 stellt prinzipiell den Ablauf des strömungstechnisch optimierten Tankvorganges dar.
Der strömungstechnisch optimierte Tankvorgang erfolgt im wesentlichen in drei Schritten:
  • 1. Vor dem Tankvorgang herrschen 200 bar bei Umgebungstemperatur im Gasspeicher 101 der Erdgastankstelle und ein beliebiger Druck im Fahrzeugbehälter 102. Die Leitungen 103 und 104 sind durch Ventile geschlossen, die der Einfachheit wegen nicht in Fig. 3 eingezeich­ net wurden. Die Leitung 103 ist mit einer gasdichten verschließbaren Einströmöffnung 115, die Leitung 104 mit einer Ausströmöffnung 116 am Behälter 102 verbunden.
  • 2. Leitung 103 wird geöffnet, so daß der Überströmvorgang zwischen dem Gasspeicher 101 der Erdgastankstelle und dem Fahrzeugbehälter 102 zum Zweck des Druckausgleiches statt­ finden kann. Leitung 104 bleibt während des Überströmvorganges geschlossen. Das Erdgas im Gasspeicher 101 der Tankstelle hat sich während des Tankvorganges geringfügig abgekühlt und das in den Fahrzeugbehälter 102 getankte Erdgas hat sich stark erwärmt. So herrschen im Gasspeicher 101 und im Fahrzeugbehälter 102 unterschiedliche Temperaturen aber der gleiche Druck. Der Druckausgleich kann z. B. mit einem Drucksensor festgestellt werden.
  • 3. Anschließend wird Leitung 104 geöffnet, so daß im gesamten System der Druck des Gas­ speichers 101 von ca. 200 bar herrscht. Anschließend wird das warme Erdgas aus dem Fahr­ zeugbehälter mit der Pumpe 106 durch Leitung 104 in den Gasspeicher 101 der Erdgastank­ stelle gepumpt und gleichzeitig strömt kaltes Erdgas aus dem Gasspeicher 101 durch Leitung 103 in den Fahrzeugbehälter 102 nach. Der Fahrzeugbehälter 102 könnte alternativ auch durch die Leitungen 103 und 104 gleichzeitig befüllt werden, bis der Druckausgleich im gesamten System stattgefunden hat. Anschließend kann, wie beschrieben, mit der Pumpe 106 umge­ pumpt werden. Die in den Fahrzeugbehälter 102 eingetankte und beim Umpumpvorgang ein- und ausströmende Masse kann über eine Volumen- bzw. Massenstrommessung erfolgen (z. B. Coriolisrohr).
Durch den Umpumpvorgang erreicht das System, bestehend aus Gasspeicher 101 und Fahr­ zeugbehälter 102 samt Leitungen 103 und 104, die Gleichgewichtstemperatur (Umgebungstemperatur) beim Betriebsdruck der Erdgastankstelle von ca. 200 bar. Der sich einstellende Gleichgewichtszustand ist der Füllzustand des Fahrzeugbehälters, welcher der Forderung der TRG 102 (200 bar bei 15°C) entspricht. Damit ist der Fahrzeugbehälter 102 vollständig gemäß geltender Rechtslage befüllt. Die Ausströmöffnung sollte strömungsgünstig, inbesondere am Ort des Temperaturmaximums im Behälter, liegen.
Der beschriebene optimierte Tankvorgang kann auf meß- und regelungsbedingte Unterbre­ chungen zur Füllstandkontrolle des Fahrzeugbehälters verzichten. Durch einfaches Überströ­ men vom Gasspeicher der Erdgastankstelle in den Fahrzeugbehälter kann der Tankvorgang innerhalb kürzester Zeit erfolgen und der Fahrzeugbehälter ist nach dem Tankvorgang voll.
Auch aus energetischer Sicht ist die beschriebene Tankprozedur zu empfehlen, da die Tankstel­ le mit einem geringeren Betriebsdruck, nämlich im beschriebenen Ausführungsbeispiel von 200 bar, arbeitet, im Gegensatz zu den heute üblichen 250 bar. Daher kann das komprimierte Erd­ gas zu geringeren Betriebskosten bereitgestellt werden.
Die derzeitige Tankstellentechnik ermöglicht es kaum, Erdgasfahrzeuge regelwerkskonform vollzutanken. Die betriebliche Praxis zeigt, daß Minderfüllungen an der Tagesordnung sind, weshalb oftmals ein Nachtanken der Erdgasfahrzeuge erforderlich ist oder eine verminderte Reichweite der Erdgasfahrzeuge in Kauf genommen werden muß. Um das Erdgasfahrzeug am Ende des Tankvorganges gemäß den Vorgaben PTB bzw. der TRG 102 mit 200 bar bei 15°C vollzutanken, muß der Wärmehaushalt des Fahrzeugbehälters optimiert werden. Zu diesem Zweck ist dem getankten Erdgas die während des Tankvorganges im Fahrzeugbehälter angefal­ lene Kompressionswärme zu entziehen. Diese ist ungleich im Fahrzeugbehälter verteilt und hat ihr Maximum am einströmfernen Ende des Fahrzeugbehälters. An dieser Stelle ist eine Wärme­ senke vorzusehen, die beispielsweise
als Wärmerohr im Fahrzeugbehälter
oder
als Umpumpvorgang zwischen Fahrzeugbehälter und Gasspeicher der Erdgastankstelle
ausgeführt sein kann. Mit der beschrieben Wärmesenke wird die heute übliche Minderfüllung des Fahrzeugbehälters vermieden, so daß sich der Aktionsradius von Erdgasfahrzeugen ver­ größert. Da der Wärmehaushalt des Fahrzeugbehälters durch die Wärmesenke gewährleistet wird und deshalb eine Überfüllung des Fahrzeugbehälters verfahrenstechnisch ausgeschlossen ist, kann die Erdgastankstelle auch mit weniger meß- und regeltechnischen Einrichtungen aus­ kommen, wodurch sich die Anschaffungskosten der Erdgastankstelle verringern. Durch den niedrigeren Betriebsdruck von 200 bar liegen auch die Betriebskosten unter denen der heute üblichen 250 bar Erdgastankstelle.

Claims (11)

1. Fahrzeug-Tank zur Aufnahme eines gasförmigen Kraftstoffes, insbesondere Erdgas, mit einer gasdicht verschließbaren Einströmöffnung (15; 115), dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke einer über die Wärmeabgabe durch die Wandfläche des Fahrzeugtanks (12, 102) hinausgehenden Wärmeabgabe im Fahrzeugtank (12, 192) eine Wärmesenke angeordnet ist.
2. Fahrzeug-Tank nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesenke in der einströmöffnungsfernen Zone des Fahrzeug-Tanks angeordnet ist.
3. Fahrzeug-Tank Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesenke aus einem Wärmerohr besteht, dessen Heizzone innerhalb und dessen Kühlzone außerhalb des Fahrzeug-Tanks angeordnet ist.
4. Fahrzeug-Tank nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Wärmerohr (20) ein zweiphasiges Arbeitsmittel zirkuliert.
5. Fahrzeug-Tank nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesenke aus einer Ausströmöffnung (116) zum Schließen eines Kreislaufes (101, 103, 102, 104, 106) zwischen einem Gasspeicher (101) und dem Fahrzeug-Tank (102) besteht.
6. Verfahren zum Betanken eines Fahrzeug-Tanks mit gasförmigem Kraftstoff, insbesondere Erdgas, bei dem der Kraftstoff von einem Gasspeicher (101) über eine im wesentlichen gasdichte Verbindung in den Fahrzeugtank (102) strömt, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke einer über die Wärmeabgabe durch die Wandflächen des Fahrzeugtanks (102) hinausgehenden Wärmeabgabe während des Betankungsvorganges eine Wärmesenke betrieben wird, die im Fahrzeugtank (102) angeordnet ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff in einem geschlossenen Kreislauf (101, 103, 102, 104, 106) zwischen dem Gasspeicher (101) und dem Fahrzeug-Tank zirkuliert.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Zirkulieren durch Fördern, insbesondere Pumpen, bewirkt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreislauf durch Anschließen und Öffnen einer ersten Verbindungsleitung (103) zwischen dem Gasspeicher (101) und dem Fahrzeug-Tank (102), sowie Anschließen und Öffnen einer zweiten Verbindungsleitung (104) zwischen diesen geschlossen wird, wobei zumindest das Öffnen der zweiten Leitung (104) zeitlich nach dem Öffnen der ersten Leitung (103) erfolgen kann.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Öffnen der zweiten Leitung (104) erfolgt, nachdem die Druckdifferenz zwischen Gasspeicher (101) und Fahrzeug-Tank (102) nahezu Null ist.
11. Erdgastankstelle zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 6 bis 10, mit einem Gasspeicher (101) zum Betanken eines Fahrzeug-Tanks (102) mit gasförmigem Kraftstoff, insbesondere Erdgas, über eine an eine gasdicht verschließbare Einströmöffnung (115) anschließbare Verbindungsleitung (103), dadurch gekennzeichnet, daß zum Zwecke einer über die Wärmeabgabe durch die Wandflächen des Fahrzeugtanks (102) hinausgehenden Wärmeabgabe eine zweite Verbindungsleitung (104) und eine Pumpe (106) zum wahlweisen Schließen eines Kreislaufs (101, 103, 102, 104, 106) zwischen Gasspeicher (101) und Fahrzeug-Tank (102) und Fördern des Kraftstoffes innerhalb des Kreislaufs zur Erzeugung einer 35 Wärmesenke im Fahrzeug-Tank vorgesehen sind.
DE19730459A 1997-07-16 1997-07-16 Vorrichtungen und Verfahren zur Isothermen Betankung von Erdgasfahrzeugen mit komprimiertem Erdgas CNG Expired - Fee Related DE19730459C2 (de)

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