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WO2003062698A1 - Verfahren zum entsorgen von boil-off gas aus einem kryotank sowie solchermassen betriebenes kraftfahrzeug - Google Patents

Verfahren zum entsorgen von boil-off gas aus einem kryotank sowie solchermassen betriebenes kraftfahrzeug Download PDF

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WO2003062698A1
WO2003062698A1 PCT/EP2002/013653 EP0213653W WO03062698A1 WO 2003062698 A1 WO2003062698 A1 WO 2003062698A1 EP 0213653 W EP0213653 W EP 0213653W WO 03062698 A1 WO03062698 A1 WO 03062698A1
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Bayerische Motoren Werke AG
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Definitions

  • the boil-off gas is released into the environment via blow-off lines in which the said valves are provided.
  • EP 0 745 499 B1 mentioned at the outset, a method with intermediate storage of the boil-off gases and catalytic oxidation for liquid natural gas as a cryogenic fuel is also known.
  • EP 0 069 717 B1 describes the use of the boil-off gas as a fuel for a dual internal combustion engine of a ship which can be operated with heavy oil or gas.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entsorgen des sich in einem Kryotank aus dem darin zur Versorgung eines energiewandelnden Aggregats befindlichen Brennstoffs bildenden boil-off-Gases, wobei das energiewandelnde Aggregat auch in Phasen der Nichtbenutzung zeitweise in Betrieb genommen wird, um das boil-off-Gas zu verbrennen. Bevorzugt wird die Inbetriebnahme und/oder die Betriebsdauer des energiewandelnden Aggregats in Abhängigkeit vom Druckniveau im Kryotank von einem elektronischen Überwachungsmodul gesteuert. Einen bevorzugten Anwendungsfall stellt ein Kraftfahrzeug mit einem Kryotank zur Versorgung eines Fahrzeug-Antriebsaggregats oder einer Brennstoffzelle zur Erzeugung elektrischer Energie dar, wobei das Antriebsaggregat oder die Brennstoffzelle des abgestellten, nicht benutzten Kraftfahrzeugs selbsttätig zeitweise in Betrieb genommen wird, um boil-off-Gas zu verbrennen.

Description

Verfahren zum Entsorgen von boil-off-Gas aus einem Kryotank sowie solchermaßen betriebenes Kraftfahrzeug
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entsorgen des sich in einem Kryotank aus dem darin zur Versorgung eines energiewandelnden Aggregats befindlichen Brennstoffs bildenden boil-off-Gases. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem Kryotank zur Versorgung eines Fahrzeug-Antriebsaggregats oder eines Energiewandlers, bspw. einer Brennstoffzelle zur Erzeugung elektrischer Energie, sowie mit einer Vorrichtung zur Verbrennung von boil-off-Gas aus dem Kryo-Tank. Zum technischen Umfeld wird neben der EP 0 069 717 B1 insbesondere auf die EP 0 745 499 B1 verwiesen.
In der Zukunft äußerst interessante Kraftstoffe zum Antrieb von Kraftfahrzeugen, wie bspw. Wasserstoff oder Erdgas oder dgl. können auf relativ günstige Weise praktisch nur verflüssigt und somit stark abgekühlt gespei- chert werden. Bei dieser kryogenen Kraftstoffspeicherung verdampft jedoch durch Wärmeeintrag in den Kraftstoff-Tank praktisch kontinuierlich eine geringe Menge von flüssigem Kraftstoff, wobei sich das sog. boil-off-Gas bildet. Insbesondere wenn kein Verbraucher für den Kraftstoff in Betrieb ist, d.h. insbesondere dann, wenn die das Kraftfahrzeug antreibende Brenn- kraftmaschine oder eine Brennstoffzelle oder dgl. (d.h. allgemein ein Energiewandler, bspw. zur Erzeugung von elektrischer Energie) außer Betrieb ist, steigt als Folge hiervon der Tank-Innendruck an. Aus Sicherheitsgründen muss dieser Druck durch Öffnen von Ventilen begrenzt werden. Im allgemeinen wird dabei das boil-off-Gas über Abblaseleitungen, in denen die besagten Ventile vorgesehen sind, in die Umgebung abgegeben. Aus der eingangs genannten EP 0 745 499 B1 ist daneben ein Verfahren mit Zwischenspeicherung der boil-off-Gase und katalytischer Oxidation für flüssiges Erdgas als kryogener Kraftstoff bekannt. Ferner- ist in der EP 0 069 717 B1 die Verwendung des boil-off-Gases als Treibstoff für eine dual, nämlich mit Schweröl oder mit Gas betreibbare Brennkraftmaschine eines Schiffes beschrieben.
Grundsätzlich ist die Verbrennung des boil-off-Gases, wozu auch dessen katalytische Oxiadation zählt, günstiger als das einfache Abblasen des (brennbaren) boil-off-Gases in die Umgebung. Werden die boil-off-Gase verbrannt, bspw. in einem Katalysator oder in einem eigenständigen Brenner, so entsteht (lokal) zwangsläufig Reaktionswärme. Dies ist bei der Anordnung einer sog. Verbrennungs-Vorrichtung, wie bspw. einem Katalysa- tor oder einem eigenständigen Brenner mit homogener Flamme, zu berücksichtigen, denn unter Umständen kann diese Reaktionswärme benachbarte Bauteile im Fahrzeug überhitzen, wenn nicht sichergestellt ist, dass diese Reaktionswärme kontrolliert abgeführt wird. Ein offensichtlicher (weiterer) Nachteil einer eigenständigen Vorrichtung zur Verbrennung von boil-off-Gas ist der erhöhte Bauaufwand, denn schließlich muss diese Verbrennungs-Vorrichtung im zumeist knappen Bauraum eines Kfz's untergebracht werden. Dies gilt insbesondere auch für einen im bekannten Stand der Technik vorgeschlagenen Zwischenspeicher.
Eine Abhilfemaßnahme für diese geschilderte Problematik aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsaggregat oder der Energiewandler des abgestellten, nicht benutzten Kraftfahrzeugs selbsttätig zeitweise in Betrieb genommen wird, um boil-off- Gas zu verbrennen. Über den soweit geschilderten speziellen Anwendungsfall hinaus, nämlich dass der Kryotank in einem Kraftfahrzeug vorgesehen ist um Kraftstoff oder Brennstoff für die Kfz-Brennkraftmaschine oder eine Brennstoffzelle oder dgl. an Bord des Kfz's zu speichern, kann der erfindungsgemäße Vorschlag allgemein auf die Verwertung von boil-off-Gas aus einem Kryotank übertragen werden.
Insofern soll weiterhin ein besonders günstiges Verfahren zum Entsorgen des sich in einem Kryotank bildenden boil-off-Gases aufgezeigt werden (= weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung), wobei sich dieses boil-off-Gas aus jenem Brennstoff bildet, der im Kryotank zur Versorgung eines allgemein energiewandelnden Aggregats gespeichert wird. Bei diesem allgemein energiewandelnden Aggregat kann es sich dabei um einen Brenner zur Erzeugung von Wärmeenergie handeln, oder um eine Kraftmaschine zur Erzeugung mechanischer Energie oder um eine chemische Apparatur zur Erzeugung elektrischer Energie und vieles mehr.
Zur Lösung dieser weiteren Aufgabe wird vorgeschlagen, dass das energiewandelnde Aggregat auch in Phasen seiner Nichtbenutzung zeitweise in Betrieb genommen wird, um das boil-off-Gas zu verbrennen. Unter dem Begriff „Phase der Nichtbenutzung" ist dabei ein längeres Zeitintervall zu verstehen, während dessen dieses Aggregat grundsätzlich nicht benötigt wird und daher eigentlich nicht in Betrieb sein sollte. Da sich dann jedoch (in Abhängigkeit von der Dauer dieser Phase sowie von weiteren Randbedingungen) eine beträchtliche Menge von boil-off-Gas im Kryotank ansammeln kann - schließlich wird kein Brennstoff zur Versorgung des Aggregats aus dem Kryotank benötigt - soll nun erfindungsgemäß das energiewandelnde Aggregat zwangsweise zumindest solange in Betrieb genommen werden, bis eine ausreichende Menge von angefallenem boil-off-Gas darin verbrannt wurde. D.h. obwohl das Aggregat eigentlich nicht in Betrieb genommen werden müsste, wird es dennoch zeitweise betrieben, um das boil-off-Gas zu verbrennen und somit zu entsorgen. Zurückkommend auf den speziellen Anwendungsfall eines Kraftfahrzeugs mit einem Kryotank zur Versorgung eines Fahrzeug-Antriebsaggregats oder eines . Energiewandlers, bspw. einer Brennstoffzelle zur Erzeugung elektri- scher Energie, sowie mit einer Vorrichtung zur Verbrennung von boil-off-Gas aus dem Kryotank fungiert - in anderen Worten ausgedrückt - somit das bspw. als Hubkolben-Brennkraftmaschine ausgebildete Fzg.-Antriebs- aggregat und/oder der bspw. als Brennstoffzelle ausgebildete Energiewandler als Verbrennungs-Vorrichtung für das boil-off-Gas. Da zumindest eines dieser Elemente ohnehin vorhanden ist und jedes dieser Elemente naturgemäß dafür geeignet ist, gasförmigen Kraftstoff aus dem Kryotank (und somit auch das boil-off-Gas) zu verbrennen, ist der Aufwand zur Umsetzung dieses Vorschlags minimal.
Dabei kann die Inbetriebnahme und/oder die Betriebsdauer des Antriebsaggregats oder des Energiewandlers in Abhängigkeit vom Druckniveau im Kryotank von einem elektronischen Überwachungsmodul gesteuert werden. Es wird somit vorgeschlagen, bevorzugt mit Erreichen eines gewissen Tankinnendrucks die Kraftstoffversorgungsanlage des Fahrzeugs in Betrieb zu nehmen und die Brennkraftmaschine bzw. die Brennstoffzelle oder dgl. automatisch, also ohne Zutun eines Fahrers oder einer Bedienperson, zu starten. Dieser Verbraucher von boil-off-Gas bleibt dann solange in Betrieb, bis der Druckabbau im Kryotank einen bestimmten Wert erreicht hat. Danach wird dieser Verbraucher, d.h. die Brennkraftmaschine bzw. die Brennstoffzel- le oder dgl. automatisch wieder gestoppt. Die Start- und Stopautomatik übernimmt bevorzugt ein elektronisches Überwachungsmodul, das in Form von Software im Bordcomputer des Kraftfahrzeugs integriert sein kann.
Vergleichbares gilt im übrigen für die allgemeine Ausgestaltung des vorliegenden erfinderischen Gedankens, nämlich bezüglich des allgemein vorgeschlagenen Verfahrens sowie dessen Weiterbildung, wonach die Inbetriebnahme und/oder die Betriebsdauer des energiewandelnden Aggregats in Abhängigkeit vom Druckniveau im Kryotank von einem elektronischen PberwachungsmoduJ gesteuert wird. Die erläuterten Vorteile gelten in gleicher Weise für die allgemeine Variante des erfindungsgemäßen Gedankens wie auch für die spezielle Ausführungsform an einem Kraftfahrzeug, auf weiche im weiteren noch näher eingegangen wird:
Zur Verwertung der brennbaren boil-off-Gase des Kryotanksystems wird somit das Fzg.-Antriebsaggregat bzw. ein im Fahrzeug insbesondere für den Fzg.-Antrieb vorgesehene Energiewandler (bspw. die bereits genannte Brennstoffzelle zur Erzeugung elektrischer Energie) verwendet. Mindestens eines dieser genannten Systeme ist ohnehin am Fahrzeug untergebracht. Es ist somit kein Bauraum sowie keine Masse für zusätzliche Bauteile im Fahrzeug zu implementieren. Zudem fallen auch keine hardwarespezifischen Herstell- und Lebenszykluskosten an. Das vorgeschlagene boil-off-System hat quasi automatisch die Lebensdauer und Zuverlässigkeit des Antriebsaggregats bzw. der Brennstoffzelle oder dgl.
Vorteilhafterweise sind dabei alle potenziellen Energieverbraucher eines Kraftfahrzeugs ohnehin direkt oder indirekt mit der Brennkraftmaschine bzw. der Brennstoffzelle verknüpft. Diese können im boil-off-Betrieb somit ohne zusätzliche Einrichtungen gestartet und versorgt werden. Vorteilhafterweise kann die dabei freiwerdende Energie auch wieder genutzt werden, so bspw. zum Aufladen einer elektrischen Batterie, oder für eine Fzg.- Standklimatisierung, oder zur Versorgung des Fzg.-Bordnetzes und vieles mehr. Ein eigenständiges boil-off-System hingegen müsste dazu unter großem Aufwand an die entsprechenden Energiekreisläufe angegliedert werden. Vorteilhafterweise stellen die Brennkraftmaschine bzw. die Brennstoffzelle jeweils für sich eine große thermische Masse dar und können daher im boil- off-Betrieb die entstehende Wärme über einen großen Zeitraum aufnehmen, speichern und langsam wieder abgeben. Eine thermische Schädigung von benachbarten Bauteilen ist damit ausgeschlossen.
Selbst für einen Störfall, bei dem mehr (d.h. eingrößeres Volumen von) boil- off-Gase^) entstehen bzw. entsteht als gemeinhin zu erwarten ist bzw. sind, ist die Brennkraftmaschine bzw. die Brennstoffzelle gerüstet. Der große Leistungsmodulationsbereich, durch Drehzahlerhöhung beim Verbrennungsmotor etwa, erlaubt die problemlose Verwertung größerer Kraftstoffmengen. Zudem können Gebläsevorrichtungen in Betrieb genommen werden, um Bereiche der Kraftstoffversorgungsanlage oder auch den Fahrzeuginnenraum zu spülen und damit evtl. Leckagen zu entsorgen, wobei noch darauf hingewiesen sei, dass durchaus eine Vielzahl von Details abweichend von obigen Erläuterungen gestaltet sein kann, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Entsorgen des sich in einem Kryotank aus dem darin zur Versorgung eines energiewandelnden Aggregats befindlichen Brennstoffs bildenden boil-off-Gases, dadurch gekennzeichnet, dass das energiewandelnde Aggregat auch in Phasen der Nichtbenutzung zeitweise in Betrieb genommen wird, um das boil-off-Gas zu verbrennen.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Inbetriebnahme und/oder die Betriebsdauer des energiewandelnden Aggregats in Abhängigkeit vom Druckniveau im Kryotank von einem elektronischen Überwachungsmodul gesteuert wird.
3. Kraftfahrzeug mit einem Kryotank zur Versorgung eines Fahrzeug- Antriebsaggregats oder eines Energiewandlers, bspw. einer Brenn- stoffzelle zur Erzeugung elektrischer Energie, sowie mit einer Vorrichtung zur Verbrennung von boil-off-Gas aus dem Kryo-Tank, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsaggregat oder der Energiewandler des abgestellten, nicht benutzten Kraftfahrzeugs selbsttätig zeitweise in Betrieb genommen wird, um boil-off-Gas zu verbrennen.
4. Kraftfahrzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das die Inbetriebnahme und/oder die Betriebsdauer des Antriebsaggregats oder des Energiewandlers in Abhängigkeit vom Druckniveau im Kryotank von einem elektronischen
Überwachungsmodul gesteuert wird.
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