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DE20022954U1 - Energy storage system, in particular system for storing hydrogen - Google Patents

Energy storage system, in particular system for storing hydrogen

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DE20022954U1
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tank
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energy storage
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Messer Griesheim GmbH
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Description

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Energiespeichersystem, insbesondere System zum Speichern vonEnergy storage system, in particular system for storing Wasserstoffhydrogen

Die Erfindung betrifft ein Energiespeichersystem mit einem ersten Speicher, der mit einer Zuleitung für einen flüssigen Energieträger, insbesondere für flüssigen Wasserstoff, sowie mit einer Entnahmeleitung zum Transportieren des Energieträgers an einen Verbraucher versehen ist.The invention relates to an energy storage system with a first storage device which is provided with a supply line for a liquid energy carrier, in particular for liquid hydrogen, and with a withdrawal line for transporting the energy carrier to a consumer.

Derartige Energiespeichersystem sind bekannt und finden beispielsweise in der Brennstoffzellen-Technologie Verwendung. Brennstoffzellen-Antriebe werden zunehmend als ernstzunehmende Alternative zu herkömmlichen Antrieben für Fahrzeuge gesehen. Die Brennstoffzelle benötigt als Reaktanden einen chemischen Energieträger, üblicherweise Wasserstoff, und Sauerstoff. Während der Sauerstoff, ähnlich wie beim Verbrennungsmotor, meist aus der Luft der Umgebung entnommen werden kann, werden für den Wasserstoff Speichersysteme benötigt. Dabei wird der Wasserstoff entweder unmittelbar oder als Bestandteil eines anderen Stoffes, etwa Methanol oder Erdgas, gespeichert.Such energy storage systems are well known and are used in fuel cell technology, for example. Fuel cell drives are increasingly seen as a serious alternative to conventional vehicle drives. The fuel cell requires a chemical energy source, usually hydrogen, and oxygen as reactants. While the oxygen can usually be taken from the ambient air, similar to the combustion engine, storage systems are required for the hydrogen. The hydrogen is stored either directly or as a component of another substance, such as methanol or natural gas.

Die Speicherung des Wasserstoffs in Form von Methanol erfordert ein relativ komplexes und teures System zur Nutzbarmachung der Wasserstoffenergie. Systeme, die den Wasserstoff unmittelbar, d.h. in Form von flüssigem oder gasförmigen Wasserstoff speichern, sind dagegen einfacher im Aufbau und im Einsatz . Besonders zweckmäßig erscheint dabei die Speicherung des Wasserstoffs in flüssiger Form, da mit flüssigem Wasserstoff eine hohe Energiedichte erzielt wird. Fahrzeuge, die mit einem Flüssigwasserstoff-Speicher ausgerüstet sind, weisen Reichweiten pro Speicherfüllung auf, die mit denen von herkömmlichen Diesel- oder Benzinfahrzeugen vergleichbar sind. Der Einsatz dieser Speichertechnologie in Kraftfahrzeugen wird beispielsweise in der Firmenzeitschrift „gas aktuell" 36, S. 17 (1991) beschrieben.Storing hydrogen in the form of methanol requires a relatively complex and expensive system for harnessing hydrogen energy. Systems that store hydrogen directly, i.e. in the form of liquid or gaseous hydrogen, are simpler to set up and use. Storing hydrogen in liquid form appears to be particularly useful, as liquid hydrogen has a high energy density. Vehicles equipped with a liquid hydrogen storage system have ranges per storage tank that are comparable to those of conventional diesel or petrol vehicles. The use of this storage technology in motor vehicles is described, for example, in the company magazine "gas aktuell" 36, p. 17 (1991).

Der Nachteil der herkömmlichen Flüssigwasserstoff-Speicherung ist jedoch, dass auch bei bester thermischer Isolation des Wasserstofftanks, etwa mit Hilfe von Superisolation, ein geringer Restwärmestrom in das Tankinnere verbleibt,The disadvantage of conventional liquid hydrogen storage, however, is that even with the best thermal insulation of the hydrogen tank, for example with the help of super insulation, a small residual heat flow remains in the tank interior,

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der zu einem langsamen Druckanstieg im Tank führt. Solange regelmäßig Wasserstoff von einem Verbraucher entnommen wird, ist dies ohne Bedeutung, da in diesem Falle durch die Entnahme der Druck im Tankinnern wieder abgesenkt wird. Wenn jedoch über eine längere Zeitdauer hinweg keine Entnahme erfolgt, kann der Druck bis zum Öffnungsdruck des Überströmventils steigen, wodurch es in der Folge zu einem kontinuierlichen Abblasestrom aus dem Tank kommt. Der Restwärmestrom wird dabei durch die Verdampfung des flüssigen Wasserstoffs im Tank kompensiert. In der Praxis liegt die Abblasemenge eines Flüssigwasserstofftanks etwa für Fahrzeuge derzeit bei 1 bis 5 % der maximalen Tankfüllung pro Tag.which leads to a slow increase in pressure in the tank. As long as hydrogen is regularly withdrawn by a consumer, this is of no importance, since in this case the pressure inside the tank is reduced again by the withdrawal. However, if no withdrawal takes place over a longer period of time, the pressure can rise to the opening pressure of the overflow valve, which subsequently leads to a continuous blow-off flow from the tank. The residual heat flow is compensated by the evaporation of the liquid hydrogen in the tank. In practice, the blow-off quantity from a liquid hydrogen tank for vehicles, for example, is currently 1 to 5% of the maximum tank filling per day.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Energiespeichersystem zu entwickeln, bei dem der Verdampfungsverlust des eingesetzten Energieträgers auch bei längeren Standzeiten minimiert wird.The object of the present invention is to develop an energy storage system in which the evaporation loss of the energy source used is minimized even during longer downtimes.

Gelöst ist diese Aufgabe bei einem Energiespeichersystem der eingangs genannten Art dadurch, dass der erste Speicher mit einem zweiten Speicher zum Speichern vom im ersten Speicher verdampftem Energieträger strömungsverbunden ist.This object is achieved in an energy storage system of the type mentioned above in that the first storage device is fluidly connected to a second storage device for storing the energy carrier evaporated in the first storage device.

Beim erfindungsgemäßen Energiespeichersystem wird der aufgrund des Restwärmeeintrags in den ersten Speicher verdampfende und nicht vom Verbraucher entnommene Anteil des gespeicherten Energieträgers im zweiten Speicher aufgefangen und steht somit einer späteren Verwendung zur Verfügung. Er entweicht also nicht in die Umgebung, wie dies bei konventionellen Systemen der Fall ist, bei denen der Energieträger ausschließlich in flüssiger Form gespeichert wird. Mit diese Technologie wird der Verlustanteil an Energieträger beim Speichern drastisch reduziert. Gegenüber einem reinen Gasspeicher weist die erfindungsgemäße Form der Energiespeicherung den Vorteil auf, dass bei Speicherung in flüssiger Form eine höhere Energiespeicherdichte erzielt werden kann, wodurch ein geringerer Platzbedarf besteht. Des weiteren wird bei der Befüllung des ersten Speichers mit flüssigem Energieträger ein niedrigerer Fülldruck beansprucht und die Befüllung kann sehr viel rascher, insoweit mit konventionellen KraftstoffenIn the energy storage system according to the invention, the portion of the stored energy source that evaporates due to the residual heat input into the first storage unit and is not removed by the consumer is collected in the second storage unit and is thus available for later use. It does not escape into the environment, as is the case with conventional systems in which the energy source is stored exclusively in liquid form. This technology drastically reduces the amount of energy lost during storage. Compared to a pure gas storage unit, the form of energy storage according to the invention has the advantage that a higher energy storage density can be achieved when stored in liquid form, which means that less space is required. Furthermore, a lower filling pressure is required when filling the first storage unit with liquid energy source and filling can be carried out much more quickly, insofar as it is possible with conventional fuels.

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vergleichbar, erfolgen. Besonders zweckmäßig ist erfindungsgemäße Technologie beim Einsatz von Wasserstoff als Energieträger, sie ist jedoch nicht auf diesen beschränkt.comparable. The technology according to the invention is particularly useful when using hydrogen as an energy source, but is not limited to this.

Vorteilhafterweise umfasst der zweite Speicher einen Drucktank, mittels dessen die Speicherkapazität des zweiten Speichers besonders hoch gewählt werden kann. Geeignete Drucktanks sind beispielsweise konventionelle Druckgasflaschen für Drücke zwischen 0 und 300 bar oder Höchstdruck-Verbundbehälter für Drücke bis zu 1000 bar und mehr.The second storage unit advantageously comprises a pressure tank, by means of which the storage capacity of the second storage unit can be set to be particularly high. Suitable pressure tanks are, for example, conventional compressed gas cylinders for pressures between 0 and 300 bar or ultra-high-pressure composite containers for pressures up to 1000 bar and more.

Um die Speicherkapazität des Drucktanks im zweiten Speicher weiter zu erhöhen, ist diesem eine Einrichtung zur Druckerhöhung strömungstechnisch vorgeschaltet, bei der es sich beispielsweise um einen Kompressor handeln kann.In order to further increase the storage capacity of the pressure tank in the second storage tank, a device for increasing the pressure is connected upstream of it, which can be a compressor, for example.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Einrichtung zur Druckerhöhung mit einer Druckregelung wirkverbunden, mittels der die Kompression des Energieträgers im Drucktank in Abhängigkeit vom Druck des Energieträgers im ersten Speicher geregelt werden kann. So kann der Druckregler beispielsweise derart eingestellt sein, dass kurz vor Erreichen eines Grenzdrucks, der ein Überdruckventil im ersten Speicher öffnet, die Einrichtung zur Druckerhöhung in Betrieb gesetzt und gasförmiger Energieträger aus dem ersten Speicher in den Drucktank gepresst wird.In an advantageous development, the device for increasing the pressure is operatively connected to a pressure control, by means of which the compression of the energy source in the pressure tank can be controlled depending on the pressure of the energy source in the first storage tank. For example, the pressure regulator can be set in such a way that shortly before a limit pressure is reached that opens a pressure relief valve in the first storage tank, the device for increasing the pressure is activated and gaseous energy source is pressed from the first storage tank into the pressure tank.

Eine besonders einfache Druckregelung kann insbesondere dann verwirklicht werden, wenn die Entnahme des gasförmigen Energieträgers stets aus dem Drucktank und nicht unmittelbar aus dem ersten Speicher erfolgt. Dabei umfasst die Druckregelung eine Bypassleitung, welche die druckseitige Seite der Einrichtung zur Druckerhöhung mit dem ersten Speicher verbindet. Ein Teil des Gases wird somit am Austritt der Einrichtung zur Druckerhöhung in die Flüssigphase des Energieträgers im ersten Speicher zurückgeführt.A particularly simple pressure control can be implemented in particular if the gaseous energy source is always taken from the pressure tank and not directly from the first storage tank. The pressure control includes a bypass line that connects the pressure side of the pressure-increasing device to the first storage tank. Part of the gas is thus returned to the liquid phase of the energy source in the first storage tank at the outlet of the pressure-increasing device.

Um eine Entnahme des gasförmigen Energieträgers aus dem zweiten Speicher zu ermöglichen, ist diese vorzugsweise mit einer Ableitung versehen. Um einenIn order to enable the gaseous energy carrier to be removed from the second storage facility, this is preferably provided with a discharge line.

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etwa notwendigen Druckausgleich herzustellen, ist diese Ableitung vorzugsweise mit einem Druckminderer ausgerüstet.In order to achieve any necessary pressure equalization, this discharge line is preferably equipped with a pressure reducer.

Zweckmäßigerweise ist die Entnahmeleitung jeweils separat mit dem ersten und dem zweiten Speicher strömungsverbindbar. Mit dieser Ausgestaltung ist eine wechselweise Entnahme von Energieträger aus dem ersten oder dem zweiten Speicher möglich.It is expedient for the extraction line to be separately fluidically connected to the first and second storage units. This design enables energy sources to be extracted alternately from the first or second storage units.

Eine Weiterbildung der letztgenannten Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, die Entnahmeleitung mit einer druckgesteuerten Armatur zu versehen, welche die Entnahme von Energieträger aus den beiden Speichern in Abhängigkeit von dem im jeweiligen Speicher vorherrschenden Druck zu steuern imstande ist.A further development of the last-mentioned embodiment of the invention provides for the extraction line to be provided with a pressure-controlled valve which is able to control the extraction of energy carriers from the two storage tanks as a function of the pressure prevailing in the respective storage tank.

Vorzugsweise ist in der Entnahmeleitung ein Wärmetauscher integriert, mittels dessen der gasförmige Energieträger aus dem ersten Speicher vor Erreichen des Verbrauchers aufgewärmt wird. So liegt Wasserstoff als eingesetzter Energieträger im ersten Tank bei einer Temperatur vor, die im Bereich der Siedetemperatur des Wasserstoffs liegt. Der Einsatz eines derart tiefkalten Gases kann beim Verbraucher zu Problemen, beispielsweise Vereisungen u.dergl. führen. Diese Probleme werden durch den Einbau eines Wärmetausches in der Entnahmeleitung zumindest entschärft, wenn nicht beseitigt.Preferably, a heat exchanger is integrated into the extraction line, by means of which the gaseous energy source from the first storage facility is heated up before it reaches the consumer. Hydrogen as the energy source used in the first tank is therefore at a temperature that is in the range of the boiling point of hydrogen. The use of such a very cold gas can lead to problems for the consumer, such as icing, etc. These problems are at least alleviated, if not eliminated, by installing a heat exchanger in the extraction line.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der erste Speicher einen tieftemperaturtauglichen Drucktank, insbesondere einen Hochdrucktank umfasst, der mit dem Drucktank des zweiten Speichers in Strömungsverbindung steht. Ein derartiger tieftemperaturtauglicher Drucktank kann mit flüssigem Wasserstoff bei niedrigem Druck befüllt werden. Wird der Tank unmittelbar nach der Befüllung abgesperrt, steigt der Druck im Tank sehr schnell an, da der Tankmantel im Gegensatz zum Tieftemperaturtank keine besondere Isolationswirkung hat. Ein Druckausgleich kann über einen Wärmetauscher mit dem Drucktank des zweiten Speichers erfolgen, der zumindest für den gleichen Maximaldruck ausgelegt sein muss.A further development of the invention provides that the first storage unit comprises a pressure tank suitable for low temperatures, in particular a high-pressure tank, which is in flow connection with the pressure tank of the second storage unit. Such a pressure tank suitable for low temperatures can be filled with liquid hydrogen at low pressure. If the tank is shut off immediately after filling, the pressure in the tank rises very quickly because the tank shell, unlike the low-temperature tank, has no special insulating effect. Pressure equalization can take place via a heat exchanger with the pressure tank of the second storage unit, which must be designed for at least the same maximum pressure.

Alternativ oder ergänzend zum vorgenannten tieftemperaturtauglichen Drucktank umfasst der erste Speicher einen Tieftemperaturtank, der vorzugsweise mit einer Superisolation versehen ist. Durch die thermische Isolation derartiger Tanks lassen sich die Verdampfungsverluste des als Energieträger eingesetzten flüssigen Wasserstoffs minimieren.As an alternative or in addition to the aforementioned low-temperature pressure tank, the first storage device comprises a low-temperature tank, which is preferably provided with super insulation. The thermal insulation of such tanks allows the evaporation losses of the liquid hydrogen used as an energy carrier to be minimized.

Insbesondere bei der Verwendung von Wasserstoff als Energieträger ist die chemische Speicherung des Wasserstoffs im zweiten Speicher eine sinnvolle Alternative oder Ergänzung zum vorgenannten Drucktank. So wird bei der Metallhydrid-Technik der Wasserstoff chemisch an bestimmte Metalle gebunden. Dabei entstehen Metallhydride, die abhängig vom Druck in einem geringen Volumen relativ große Wasserstoffmengen aufnehmen können. Typische Arbeitsdrücke für Metallhydridspeicher liegen zwischen 0 und 35 bar.Chemical storage of hydrogen in a second storage tank is a sensible alternative or addition to the pressure tank mentioned above, particularly when hydrogen is used as an energy source. In metal hydride technology, hydrogen is chemically bound to certain metals. This creates metal hydrides that can absorb relatively large amounts of hydrogen in a small volume, depending on the pressure. Typical working pressures for metal hydride storage tanks are between 0 and 35 bar.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht den Einsatz des Energiespeichersystems für Brennstoffzellenantriebe vor,, insbesondere für den Einsatz in Fahrzeugen.A particularly advantageous embodiment of the invention provides for the use of the energy storage system for fuel cell drives, in particular for use in vehicles.

Anhand der Zeichnung sollen nachfolgend Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert werden.Exemplary embodiments of the invention will be explained in more detail below with reference to the drawing.

In schematischen Ansichten zeigen:Shown in schematic views:

Fig. 1: ein zum Speichern von Wasserstoff einsetzbares erfindungsgemäßes Energiespeichersystem in einer ersten Ausführungsform,Fig. 1: an energy storage system according to the invention which can be used to store hydrogen in a first embodiment,

Fig. 2: ein zum Speichern von Wasserstoff einsetzbares erfindungsgemäßes Energiespeichersystem in einer zweiten Ausführungsform, undFig. 2: an energy storage system according to the invention which can be used to store hydrogen in a second embodiment, and

Fig. 3: einen typischen zeitlichen Druckverlauf des Wasserstoffs im ersten Speicher beim Betrieb eines erfindungsgemäßen Wasserstoffspeichersystems. Fig. 3: a typical temporal pressure curve of the hydrogen in the first storage during operation of a hydrogen storage system according to the invention.

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Das in Fig. 1 gezeigte Wasserstoffspeichersystem 1 umfasst einen ersten Speicher in Form eines Tieftemperaturtanks 2 sowie einen zweiten Speicher in Form eines Hochdrucktanks 3.The hydrogen storage system 1 shown in Fig. 1 comprises a first storage in the form of a low-temperature tank 2 and a second storage in the form of a high-pressure tank 3.

Als Hochdrucktank 3 kann dabei beispielsweise ein Hybridspeicher, der für Drücke zwischen 0 und 35 bar geeignet ist, eine Druckgasflasche für Drücke von 0 bis 300 bar oder ein Höchstdruck-Verbundbehälter für Drücke von 0 bis 1000 bar eingesetzt werden.The high-pressure tank 3 can be, for example, a hybrid storage tank suitable for pressures between 0 and 35 bar, a compressed gas cylinder for pressures from 0 to 300 bar or an ultra-high-pressure composite container for pressures from 0 to 1000 bar.

Der Tieftemperaturtank 2, der für die Aufnahme von flüssigem Wasserstoff mit einer Temperatur von ca. 20 K bestimmt ist, ist mit einer Wärmeisolation 5 versehen. Zur Herstellung der Wärmeisolation 5 umfasst der Tieftemperaturtank 2 einen Innenbehälter 6, der zur Aufnahme des Wasserstoffs bestimmt ist, und der in einem Abstand von beispielsweise 40mm von einem Außenbehälter 7 umgeben ist. Der Zwischenraum zwischen dem Innenbehälter 6 und dem Außenbehälter 7 ist evakuiert und kann zum Schutz vor Strahlungsverlusten mit entsprechenden Strahlungsschilden versehen sein. Einen typischen Aufbau für eine derartige Wärmeisolation ist beispielsweise in der Firmenzeitschrift „gas aktuell" Nr. 36, S. 17 (1991) beschrieben, es kann freilich jede aus der Tieftemperaturtechnik bekannte und für den vorliegenden Zweck geeignete Isolation verwendet werden.The cryogenic tank 2, which is intended for holding liquid hydrogen at a temperature of approximately 20 K, is provided with thermal insulation 5. To produce the thermal insulation 5, the cryogenic tank 2 comprises an inner container 6, which is intended for holding the hydrogen and which is surrounded by an outer container 7 at a distance of, for example, 40 mm. The space between the inner container 6 and the outer container 7 is evacuated and can be provided with appropriate radiation shields to protect against radiation losses. A typical structure for such thermal insulation is described, for example, in the company magazine "gas aktuell" No. 36, p. 17 (1991), but any insulation known from cryogenic technology and suitable for the present purpose can of course be used.

Der Innenbehälter 6 kann mittels einer Füll-Leitung 9 zumindest teilweise mit flüssigem Wasserstoff befüllt werden. Trotz der guten Isolation tritt bei derartigen Tieftemperaturtanks ein Restwärmeeintrag auf, der zum Verdampfen eines Teils des eingefüllten Wasserstoffs von üblicherweise etwa 1 bis 5 % pro Tag führt. Der Innenbehälter weist daher ein Sicherheitsventil 10 auf, das bei Erreichen eines bestimmten Mindestdrucks, beispielsweise 5 bar, öffnet und gasförmigen Wasserstoff in die Umgebung entweichen lässt.The inner container 6 can be at least partially filled with liquid hydrogen using a filling line 9. Despite the good insulation, residual heat is introduced into such low-temperature tanks, which leads to the evaporation of part of the hydrogen filled in, usually around 1 to 5% per day. The inner container therefore has a safety valve 10, which opens when a certain minimum pressure is reached, for example 5 bar, and allows gaseous hydrogen to escape into the environment.

Die durch Verdampfen des eingefüllten Wasserstoffs entstehende Gasphase 11 im Innenbehälter 6 steht über eine Entnahmeleitung 12 mit einem Verbraucher 13 in Strömungsverbindung. In der Entnahmeleitung 12 ist einThe gas phase 11 in the inner container 6, which is created by evaporation of the filled hydrogen, is in flow connection with a consumer 13 via a withdrawal line 12. In the withdrawal line 12, a

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Wärmetauscher 14 zum Erwärmen des tiefkalten Gases sowie ein Absperrventil 15 integriert.Heat exchanger 14 for heating the cryogenic gas and a shut-off valve 15 are integrated.

Zwischen dem Tieftemperaturtank 2 und dem Hochdrucktank 3 ist ein Kompressor 17 angeordnet, dessen Niederdruckseite 18 über eine Abzweigung 19 an der Entnahmeleitung 12 mit der Gasphase 11 des Wasserstoffs und dessen Hochdruckseite 21 mit dem Hochdrucktank 3 strömungsverbunden ist. Der Kompressor 17 ist derart ausgelegt, dass bei Erreichen eines bestimmten Drucks im Innenbehälter 6 des Tieftemperaturtanks 2, dessen Wert unterhalb des Öffnungsdrucks des Sicherheitsventils 10 liegt, Wasserstoff aus der Gasphase 11 entnommen und im komprimierten Zustand dem Hochdruckbehälter 3 zugeführt wird. Die Druckregelung erfolgt dabei etwa durch Messung des Drucks im Innenbehälter 6, und eine entsprechende Steuerung, die bei Erreichen des entsprechenden Druckwertes über eine geeignete Steuerung den Kompressor in Gang setzt.A compressor 17 is arranged between the low-temperature tank 2 and the high-pressure tank 3, the low-pressure side 18 of which is fluidly connected to the gas phase 11 of the hydrogen via a branch 19 on the extraction line 12 and the high-pressure side 21 of which is fluidly connected to the high-pressure tank 3. The compressor 17 is designed in such a way that when a certain pressure is reached in the inner container 6 of the low-temperature tank 2, the value of which is below the opening pressure of the safety valve 10, hydrogen is removed from the gas phase 11 and fed to the high-pressure container 3 in a compressed state. The pressure is regulated by measuring the pressure in the inner container 6, for example, and a corresponding control which starts the compressor via a suitable control when the corresponding pressure value is reached.

Der Hochdrucktank 3 ist über eine Entnahmeleitung 23 gleichfalls mit dem Verbraucher strömungsverbunden. Um den Druck des entnommenen Wasserstoffs den Erfordernissen des Verbrauchers 13 anzupassen, ist in die Entnahmeleitung 23 ein Druckminderer 24 integriert.The high-pressure tank 3 is also fluidically connected to the consumer via a withdrawal line 23. In order to adapt the pressure of the withdrawn hydrogen to the requirements of the consumer 13, a pressure reducer 24 is integrated into the withdrawal line 23.

Beim Wasserstoffspeichersystem 1 kann gasförmiger Wasserstoff wahlweise entweder aus der Gasphase 11 im Innenbehälter 6 des Tieftemperaturtanks 2 oder aus dem Hochdrucktank 3 entnommen werden. Diese ist insbesondere dann zweckmässig, wenn, etwa unmittelbar nach einer Betankung des Tieftemperaturtank 2, nur wenig gasförmiger Wasserstoff im Innenbehälter 6 des Tieftemperaturtank 2 vorliegt. In diesem Falle kann der gasförmige Wasserstoff dem Hochdruckbehälter entnommen werden. Bei Erreichen eines bestimmten Druckwertes kann der Tieftemperaturtank 2, etwa mittels einer geeigneten druckgesteuerten Automatik 25 im Absperrventil 15, zugeschaltet werden. Gegebenenfalls kann in diesem Falle gleichzeitig über eine weitere hier nicht gezeigte - druckgesteuerte Automatik die Entnahmeleitung 23 des Hochdrucktanks 3 gesperrt werden. Um einen minimalen Versorgungsdruck im Tieftemperaturtank 2 dauerhaft sicherzustellen, kann in bekannter Weise etwaIn the hydrogen storage system 1, gaseous hydrogen can be taken either from the gas phase 11 in the inner container 6 of the low-temperature tank 2 or from the high-pressure tank 3. This is particularly useful when, for example immediately after filling the low-temperature tank 2, there is only a small amount of gaseous hydrogen in the inner container 6 of the low-temperature tank 2. In this case, the gaseous hydrogen can be taken from the high-pressure container. When a certain pressure value is reached, the low-temperature tank 2 can be switched on, for example by means of a suitable pressure-controlled automatic device 25 in the shut-off valve 15. If necessary, the extraction line 23 of the high-pressure tank 3 can be blocked at the same time by means of another pressure-controlled automatic device (not shown here). In order to permanently ensure a minimum supply pressure in the low-temperature tank 2, in a known manner, for example

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eine - hier ebenfalls nicht gezeigte - Heizung im Innenbehälter 6 vorgesehen sein.A heater - also not shown here - may be provided in the inner container 6.

Wird der gasförmige Wasserstoff ausschließlich aus dem Hochdrucktank 3 entnommen, und dient der Tieftemperaturtank 2 somit lediglich als Energiespeicher und nicht zugleich als Versorgungstank, so kann auf eine aufwendige Drucksteuerung des Kompressors 17 verzichtet werden. In diesem Falle kann eine Druckregelung mittels einer entsprechend dimensionierten Bypass-Leitung 26 erfolgen, durch die ein kleiner Teilstrom des bereits erheblich erwärmten Wasserstoffgases in die Flüssigphase des Wasserstoffs in dem Innenbehälter 6 des Tieftemperaturtanks 2 geleitet wird und eine Druckerhöhung im Innenbehälter 6 bewirkt.If the gaseous hydrogen is taken exclusively from the high-pressure tank 3, and the low-temperature tank 2 thus serves only as an energy store and not as a supply tank at the same time, a complex pressure control of the compressor 17 can be dispensed with. In this case, pressure control can be carried out by means of an appropriately dimensioned bypass line 26, through which a small partial flow of the already considerably heated hydrogen gas is passed into the liquid phase of the hydrogen in the inner container 6 of the low-temperature tank 2 and causes an increase in pressure in the inner container 6.

Eine alternative Ausgestaltung eines Energiespeichersystems wird in Fig. 2 vorgestellt. Das dort gezeigte Wasserstoffspeichersystem 30 umfasst ebenfalls einen Hochdrucktank 33, der mit einem Tank 32 zur Aufnahme von Wasserstoff in flüssiger Form über eine Verbindungsleitung 31 strömungsverbunden ist. Im Gegensatz zum Tieftemperaturtank 2 des Wasserstoffspeichersystems 1 handelt es sich bei dem Tank 32 jedoch nicht um einen superisolierten Tieftemperaturtank, sondern um einen - für die Aufnahme von tiefkalten Flüssigkeiten geeigneten - Hochdrucktank, der nicht mit einer der Wärmeisolierung 5 vergleichbaren thermischen Isolation ausgerüstet ist. Wenn der Tank 32 über die Einfüll-Leitung 34 mit flüssigem Wasserstoff (bei niedrigem Druck, etwa 1-4 bar) befüllt und mit einem hier nicht gezeigten Absperrelement abgesperrt wird, verdampft sogleich ein Teil des Wasserstoffs und der Druck im Tank 32 steigt sehr stark an. Der Druckausgleich mit dem Hochdrucktank 33 erfolgt nach Öffnen eines Absperrventils 35 über die Verbindungsleitung 31 in die ein Wärmetauscher 36, z.B. eine luftbeheizte Rohrschlange, integriert ist. Es versteht sich, dass bei diesem Ausführungsbeispiel der Tank 32 und der Hochdrucktank 33 für den gleichen Maximaldruck ausgelegt sein sollen. Auf einen Kompressor zwischen Tank 32 und Hochdrucktank 33 kann bei diesem Ausführungsbeispiel verzichtet werden. Die Entnahme für einen Verbraucher 37 erfolgt ausschließlich überAn alternative design of an energy storage system is presented in Fig. 2. The hydrogen storage system 30 shown there also comprises a high-pressure tank 33, which is fluidly connected to a tank 32 for holding hydrogen in liquid form via a connecting line 31. In contrast to the low-temperature tank 2 of the hydrogen storage system 1, however, the tank 32 is not a super-insulated low-temperature tank, but rather a high-pressure tank - suitable for holding cryogenic liquids - which is not equipped with thermal insulation comparable to the thermal insulation 5. When the tank 32 is filled with liquid hydrogen (at low pressure, approximately 1-4 bar) via the filling line 34 and is shut off with a shut-off element (not shown here), part of the hydrogen immediately evaporates and the pressure in the tank 32 increases very sharply. The pressure equalization with the high-pressure tank 33 takes place after opening a shut-off valve 35 via the connecting line 31 in which a heat exchanger 36, e.g. an air-heated pipe coil, is integrated. It goes without saying that in this embodiment the tank 32 and the high-pressure tank 33 should be designed for the same maximum pressure. A compressor between the tank 32 and the high-pressure tank 33 can be dispensed with in this embodiment. The withdrawal for a consumer 37 takes place exclusively via

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eine Entnahmeleitung 38 des Hochdrucktanks 33, die zum Anschließen des Verbrauchers 37 mit einem geeigneten Druckminderer 39 ausgerüstet ist.a discharge line 38 of the high-pressure tank 33, which is equipped with a suitable pressure reducer 39 for connecting the consumer 37.

Fig . 3 zeigt einen beispielhaften, jedoch typischen Druckverlauf im Innenbehälter 6 des Tieftemperaturtanks 2 während des Betriebs.Fig. 3 shows an exemplary but typical pressure curve in the inner container 6 of the cryogenic tank 2 during operation.

Bei der Wasserstoffentnahme durch einen Verbraucher 13 unmittelbar aus dem Tieftemperaturtank 2 sinkt der Druck im Innenbehälter 6 bis auf den, beispielsweise mittels einer Heizung beständig aufrechterhaltenen, Versorgungsdruck pi ab (Betriebszustand B1). Zum Zeitpunkt ti wird die Entnahme von Wasserstoff eingestellt. Bei Nichtentnahme von Wasserstoff steigt der Druck im Innenbehälter 6 langsam an, solange der Kompressor noch nicht eingeschaltet ist (Betriebszustand B2). Im Zeitpunkt t2 wird der Ansprechdruck P2des Kompressors 17 erreicht, und der Kompressor 17 in Betrieb gesetzt. Gasförmiger Wasserstoff wird nun dem Innenbehälter 6 des Tieftemperaturtanks 2 entnommen und dem Hochdruckbehälter 3 in komprimierter Form zugeführt (Betriebszustand B3). Der Druck im Innenbehälter 6 sinkt dadurch wieder ab. Bei Erreichen des Versorgungsdrucks Pi ,zum Zeitpunkt t3, schaltet der Kompressor 17 ab. In der Folge steigt der Druck im Innenbehälter wieder an, bis er zum Zeitpunk U den Ansprechdruck P2 erreicht. Der Kompressor schaltet wieder an, der Druck in Innenbehälter sinkt und erreicht zum Zeitpunkt t5 erneut den Versorgungsdruck pi, um danach, nach Abschalten des Kompressors 17, wieder allmählich anzusteigen. Bei erneuter Entnahme von Wasserstoff durch den Verbraucher (ab dem Zeitpunkt te) sinkt der Druck wieder bis in den Bereich des Versorgungsdrucks pi ab. Der Druck bleibt so stets unterhalb des Ansprechdrucks p3 des Sicherheitsventils 10. Ein Austritt von Wasserstoff in die Umgebung wird somit zuverlässig vermieden.When hydrogen is removed by a consumer 13 directly from the low-temperature tank 2, the pressure in the inner container 6 drops to the supply pressure pi, which is constantly maintained, for example, by means of a heater (operating state B1). At time t 1, the removal of hydrogen is stopped. If hydrogen is not removed, the pressure in the inner container 6 slowly increases as long as the compressor is not yet switched on (operating state B2). At time t 2 , the response pressure P2 of the compressor 17 is reached and the compressor 17 is put into operation. Gaseous hydrogen is now removed from the inner container 6 of the low-temperature tank 2 and fed to the high-pressure container 3 in compressed form (operating state B3). The pressure in the inner container 6 thereby drops again. When the supply pressure Pi is reached at time t 3 , the compressor 17 switches off. The pressure in the inner container then increases again until it reaches the response pressure P2 at time U. The compressor switches on again, the pressure in the inner container drops and at time t 5 again reaches the supply pressure pi, and then gradually increases again after the compressor 17 is switched off. When hydrogen is again removed by the consumer (from time te), the pressure drops again to the range of the supply pressure pi. The pressure thus always remains below the response pressure p3 of the safety valve 10. This reliably prevents hydrogen from escaping into the environment.

Für Fahrzeuge in Fahrzeugflotten, die ohne lange Parkzeiten regelmäßig betrieben werden, kann die Kapazität des Hochdrucktanks 3 kleiner als die des Tieftemperaturtanks 2 gewählt werden, da bei deren Einsatzprofil üblicherweise nur wenige Abdampfverluste anfallen. Bei diesen Fahrzeugen besitzt der Hochdrucktank 3 vor allem die Funktion eines „Kaltstart - Speichers", da inFor vehicles in vehicle fleets that are regularly operated without long parking times, the capacity of the high-pressure tank 3 can be selected to be smaller than that of the low-temperature tank 2, since their application profile usually results in only a small amount of evaporation losses. In these vehicles, the high-pressure tank 3 primarily has the function of a "cold start storage tank", since in

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diesem Tank stets gasförmiger Wasserstoff zuminderst in einer geringen, jedoch für die Durchführung eines Kaltstarts ausreichenden Menge vorliegt. Dieser Wasserstoff kann sogleich entnommen werden, ohne in zeitaufwendiger Weise vor dem Start des Fahrzeuges erst einen Teil des flüssigen Wasserstoffs verdampfen zu müssen, wie dies bei herkömmlichen Fahrzeugen mit lediglich einem Flüssigwasserstoff -Tank erforderlich ist.This tank always contains gaseous hydrogen, at least in a small amount, but sufficient to carry out a cold start. This hydrogen can be removed immediately without having to evaporate part of the liquid hydrogen in a time-consuming process before starting the vehicle, as is necessary in conventional vehicles with only one liquid hydrogen tank.

Bei Fahrzeugen, die etwa als Privatfahrzeuge eingesetzt werden, und die mitunter über einen längeren Zeitraum geparkt werden, sollte der Hochdrucktank 3 eine mit dem Tieftemperaturtank 2 vergleichbare Kapazität aufweisen, um die etwa bei z.B. einer vierwöchige Zeitdauer nach dem letzten Tankvorgang erreichte Abdampfmenge speichern zu können.In the case of vehicles which are used as private vehicles and which are sometimes parked for a longer period of time, the high-pressure tank 3 should have a capacity comparable to that of the low-temperature tank 2 in order to be able to store the amount of evaporation achieved, for example, after a period of four weeks after the last refueling.

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BezuqszeichenlisteList of reference symbols

1.1. WasserstoffspeichersystemHydrogen storage system 27.27. -- 2.2. TieftemperaturtankCryogenic tank 28.28. -- 3.3. HochdrucktankHigh pressure tank 29.29. WasserstoffspeichersystemHydrogen storage system 4.4. -- 30.30. VerbindungsleitungConnecting line 5.5. WärmeisolationThermal insulation 31.31. Tanktank 6.6. InnenbehälterInner container 32.32. HochdrucktankHigh pressure tank 7.7. AußenbehälterOuter container 33.33. Einfüll-LeitungFilling line 8.8th. -- 34.34. AbsperrventilShut-off valve 9.9. Füll-LeitungFilling line 35.35. WärmetauscherHeat exchanger 10.10. SicherheitsventilSafety valve 36.36. Verbraucherconsumer 11.11. GasphaseGas phase 37.37. EntnahmeleitungWithdrawal line 12.12. EntnahmeleitungWithdrawal line 38.38. DruckmindererPressure reducer 13.13. Verbraucherconsumer 39.39. 14.14. WärmetauscherHeat exchanger VersorgungsdruckSupply pressure 15.15. AbsperrventilShut-off valve Pipi Ansprechdruck KompressorCompressor response pressure 16.16. -- P2P2 Ansprechdruck SicherheitsventilSafety valve set pressure 17.17. Kompressorcompressor P3P3 18.18. NiederdruckseiteLow pressure side ZeitpunkteTimings 19.19. AbzweigungJunction ti-t6 ti-t 6 20.20. -- BetriebszustandOperating status 21.21. HochdruckseiteHigh pressure side B1B1 BetriebszustandOperating status 22.22. -- B2B2 BetriebszustandOperating status 23.23. EntnahmeleitungWithdrawal line B3B3 24.24. -- 25.25. druckgesteuerte Automatikpressure-controlled automatic 26.26. BvDass-LeitunaBvDass-Leituna

Claims (13)

1. Energiespeichersystem mit einem ersten Speicher (2, 32), der mit einer Zuleitung (9, 34) für einen flüssigen Energieträger, insbesondere für flüssigen Wasserstoff, sowie mit einer Entnahmeleitung (12, 23, 38) zum Transportieren des Energieträgers an einen Verbraucher(13, 37) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, das der erste Speicher (2, 32) mit einem zweiten Speicher (3, 33) zum Speichern von im ersten Speicher (2, 32) verdampftem Energieträger strömungsverbunden ist. 1. Energy storage system with a first storage device ( 2 , 32 ) which is provided with a supply line ( 9 , 34 ) for a liquid energy carrier, in particular for liquid hydrogen, and with a removal line ( 12 , 23 , 38 ) for transporting the energy carrier to a consumer ( 13 , 37 ), characterized in that the first storage device ( 2 , 32 ) is fluidly connected to a second storage device ( 3 , 33 ) for storing energy carrier evaporated in the first storage device ( 2 , 32 ). 2. Energiespeichersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Speicher einen Drucktank (3, 33), insbesondere einen Drucktank für Hoch- oder Höchstdrücke, umfasst. 2. Energy storage system according to claim 1, characterized in that the second storage device comprises a pressure tank ( 3 , 33 ), in particular a pressure tank for high or extremely high pressures. 3. Energiespeichersystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Drucktank (3, 33) eine Einrichtung zur Druckerhöhung, etwa ein Kompressor (17), strömungstechnisch vorgeschaltet ist. 3. Energy storage system according to claim 2 or 3, characterized in that a device for increasing the pressure, such as a compressor ( 17 ), is fluidically connected upstream of the pressure tank ( 3 , 33 ). 4. Energiespeichersystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Druckerhöhung mit einer Druckregelung wirkverbunden ist, welche die Kompression des Energieträgers im Drucktank (3, 33) in Abhängigkeit vom Druck des Energieträgers im ersten Speicher (2) regelt. 4. Energy storage system according to claim 4, characterized in that the device for increasing the pressure is operatively connected to a pressure control which controls the compression of the energy carrier in the pressure tank ( 3 , 33 ) as a function of the pressure of the energy carrier in the first storage device ( 2 ). 5. Energiespeichersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckregelung eine Bypassleitung (26) umfasst, die die druckseitige Seite der Einrichtung zur Druckerhöhung mit dem ersten Speicher (2) verbindet. 5. Energy storage system according to claim 5, characterized in that the pressure control comprises a bypass line ( 26 ) which connects the pressure side of the pressure increasing device with the first storage device ( 2 ). 6. Energiespeichersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Speicher (3, 33) mit einer Ableitung (23, 38) für gasförmigen Energieträger strömungsverbunden ist, welche Ableitung (23, 38) vorzugsweise mit einem Druckminderer (24, 39) ausgerüstet ist. 6. Energy storage system according to claim 1, characterized in that the second storage device ( 3 , 33 ) is fluidly connected to a discharge line ( 23 , 38 ) for gaseous energy carriers, which discharge line ( 23 , 38 ) is preferably equipped with a pressure reducer ( 24 , 39 ). 7. Energiespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahmeleitung (12) jeweils separat mit dem ersten Speicher (2) und mit dem zweiten Speicher (3) strömungsverbindbar ist. 7. Energy storage system according to one of the preceding claims, characterized in that the extraction line ( 12 ) can be separately fluidically connected to the first storage device ( 2 ) and to the second storage device ( 3 ). 8. Energiespeichersystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahmeleitung (12) mit einer druckgesteuerten Armatur (15) versehen ist, mittels der die Entnahme von Energieträger aus den Speichern (2, 3) entsprechend den in den Speichern (2, 3) jeweils herrschenden Drücke steuerbar ist. 8. Energy storage system according to claim 7, characterized in that the extraction line ( 12 ) is provided with a pressure-controlled valve ( 15 ) by means of which the extraction of energy carriers from the accumulators ( 2 , 3 ) can be controlled in accordance with the pressures prevailing in the accumulators ( 2 , 3 ). 9. Energiespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Entnahmeleitung (12) ein Wärmetauscher (14, 36) integriert ist. 9. Energy storage system according to one of the preceding claims, characterized in that a heat exchanger ( 14 , 36 ) is integrated into the extraction line ( 12 ). 10. Energiespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Speicher einen tieftemperaturtauglichen Drucktank (32) umfasst. 10. Energy storage system according to one of the preceding claims, characterized in that the first storage device comprises a pressure tank ( 32 ) suitable for low temperatures. 11. Energiespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Speicher einen - vorzugsweise superisolierten - Tieftemperaturtank (2) umfasst. 11. Energy storage system according to one of the preceding claims, characterized in that the first storage device comprises a - preferably super-insulated - low-temperature tank ( 2 ). 12. Energiespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dass der zweite Speicher (3, 33) Mittel zur vorübergehenden chemischen Bindung von Wasserstoff, etwa einen Metallhydrid-Tank aufweist. 12. Energy storage system according to one of the preceding claims, characterized in that the second storage ( 3 , 33 ) has means for the temporary chemical binding of hydrogen, such as a metal hydride tank. 13. Energiespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung als Energiespeichersystem, vorzugsweise Wasserstoffspeichersystem (1, 30) für einen Brennstoffzellenantrieb. 13. Energy storage system according to one of the preceding claims, characterized by the use as an energy storage system, preferably a hydrogen storage system ( 1 , 30 ) for a fuel cell drive.
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