WO2015051894A2

WO2015051894A2 - Speichereinrichtung, gas-speichereinheit und verfahren zur zumindest teilweisen befüllung oder entleerung einer gas- speichereinheit

Info

Publication number: WO2015051894A2
Application number: PCT/EP2014/002688
Authority: WO
Inventors: Robert Adler; Georg Siebert; Markus Stefan; Michael Stefan
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2013-10-08
Filing date: 2014-10-02
Publication date: 2015-04-16
Anticipated expiration: 2016-04-08
Also published as: WO2015051894A3; EP3055607A2; US20160238194A1; DE102013016696A1; JP2016538492A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Speichereinrichtung (1) zur Speicherung eines Gases (20), insbesondere zur Speicherung gasförmigen Wasserstoffs, mit einem ersten Raum (30) zur Aufnahme des Gases (20) und mit einer Sperreinrichtung (32) zur Schließung und Öffnung eines an den ersten Raum (30) angeschlossenen Strömungspfades (33). Die erfindungsgemäße Speichereinrichtung (1) umfasst eine Einstelleinheit (40) zur Volumenänderung des ersten Raumes (30). Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Gas-Speichereinheit (100) mit der erfindungsgemäßen Speichereinrichtung (1) sowie ein Verfahren zur zumindest teilweisen Befüllung oder Entleerung der Gas-Speichereinheit (100).

Description

Beschreibung

Speichereinrichtung, Gas-Speichereinheit und Verfahren zur zumindest teilweisen

Befüllung oder Entleerung einer Gas-Speichereinheit

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Speichereinrichtung zur Speicherung eines

Gases, insbesondere zur Speicherung gasförmigen Wasserstoffs. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Gas-Speichereinheit, die eine erfindungsgemäße Speichereinrichtung umfasst. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur zumindest teilweisen Befüllung oder Entleerung einer

erfindungsgemäßen Gas-Speichereinheit.

Herkömmliche Gas-Hochdruckspeicher sind überwiegend fest angeordnet und weisen ein definiertes Maximalvolumen auf. Um dieses Volumen optimal auszunutzen, werden die Speicher mit einem maximal möglichen Befülldruck, dem Nenndruck des

Speichers, befüllt. Bei der Gasentnahme aus dem Speicher wird der Druck äquivalent zur entnommenen Gasmenge verringert. Daraus resultiert eine ständige

Druckverringerung über die Nutzungsdauer je Befüllung. Zur Gewährleistung einer zuverlässigen Funktion eines Druckspeichers bzw. einer aus mehreren Druckspeichern assemblierten Anlage ist ein Speicherdruck einzustellen, der deutlich über dem gewünschten Ausgangsdruck liegt. Je geringer die Druckdifferenz zwischen dem jeweiligen Speicherdruck und dem zu realisierenden Ausgangsdruck ist, umso mehr einzelne Speicher sind in sogenannten Kaskaden zusammenzuschalten. Die Nutzung des im Speicher gespeicherten Mediums ist nur bis zu einem minimalen Speicherdruck möglich, der eine ausreichende Differenz zum gewünschten Ausgangsdruck aufweist. Dies führt unter anderem dazu, dass nicht das gesamte Gasvolumen eines Speichers zur Verfügung gestellt werden kann. Außerdem wirken sich die bei der Entleerung und Befüllung eines Speichers auftretenden Lastwechsel auf Grund der damit verbundenen Belastung für das Material des Speichers lebensdauerreduzierend aus. Es existiert ein deutlicher Trend im Automobilbereich zur Nutzung alternativer Antriebe. Ein Schwerpunkt dabei ist die Nutzung von Brennstoffzellen unter Umsetzung von Wasserstoff. Je mehr Fahrzeuge zukünftig eine Brennstoffzelle als Antrieb nutzen, umso mehr Speicherkapazität für Wasserstoff wird nachgefragt und umso mehr Lastwechsel müssen herkömmliche Speicher aushalten können. Diese Speicher sind jedoch nur für herkömmliche Zwecke bzw. bisher bekannte Lastwechselzahlen ausgelegt. Auf Grund der zukünftigen stärkeren Nachfrage nach Wasserstoff sind demzufolge die Speicher den erhöhten zukünftigen Anforderungen anzupassen.

Problematisch dabei ist jedoch, dass die Materialien zur Herstellung der Speicher sowie die herkömmlichen Speicherkonstruktionen im Wesentlichen keine höheren Spannungen bzw. höheren Lastwechselzahlen aushalten. Zudem wirkt sich die Vielzahl an zukünftig vorzuhaltenden Speichern hinsichtlich des einzusetzenden Materials sowie der Fertigung zur Herstellung der Speicher als kostenintensiv aus. Ebenso ist der Aufwand zur Befüllung und Wartung der Speicher sowie deren

Transport relativ aufwendig.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Speichereinrichtung sowie eine Gas-Speichereinheit und ein Verfahren zur zumindest teilweisen Befüllung oder Entleerung der erfindungsgemäßen Gas-Speichereinheit zur Verfügung zu stellen, die in einfacher und zuverlässiger Weise eine kostengünstige und bedarfsgerechte Versorgung von Speichergas, insbesondere von Wasserstoff, ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Speichereinrichtung nach Anspruch 1 und die erfindungsgemäße Gas-Speichereinheit nach Anspruch 8 sowie durch das Verfahren zur zumindest teilweisen Befüllung oder Entleerung einer Gas- Speichereinheit nach Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der

Speichereinrichtung sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 angegeben. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zur zumindest teilweisen Befüllung oder Entleerung einer Gas-Speichereinheit ist im Unteranspruch 10 angegeben.

Die erfindungsgemäße Speichereinrichtung dient zur Speicherung eines Gases, insbesondere zur Speicherung gasförmigen Wasserstoffs, und weist einen ersten Raum zur Aufnahme des Gases sowie eine Sperreinrichtung zur Schließung und Öffnung eines an den ersten Raum angeschlossenen Strömungspfades auf. Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Speichereinrichtung eine Einstelleinheit zur Volumenänderung des ersten Raumes umfasst. Mit der Einstelleinheit lässt sich bei Befüllung oder Entleerung des ersten Raumes gleichzeitig das Volumen des ersten Raumes der jeweiligen, in dem ersten Raum vorhandenen Gasmenge anpassen. Dadurch lässt sich der Gasdruck im ersten Raum im Wesentlichen konstant halten. Auf Grund dessen ist der erste Raum bzw. die den ersten Raum umfassende

Speichereinrichtung im Wesentlichen ständig denselben Belastungen ausgesetzt, so dass sie konstruktiv optimal dieser konstanten Belastung angepasst sein kann und eine entsprechend lange Lebensdauer aufweisen kann.

In einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante weist die Einstelleinheit einen zweiten Raum zur Aufnahme eines weiteren Fluides sowie eine Trenneinrichtung auf, wobei der erste Raum und der zweite Raum mittels der Trenneinrichtung voneinander separiert sind und die Trenneinrichtung auf Grund Ihrer Variabilität hinsichtlich Ihrer Form, Größe und/oder Position bei Veränderung des Volumens des zweiten Raumes eine Veränderung des Volumens des ersten Raumes in entgegengesetzter Weise in einem bestimmten Verhältnis ermöglicht. Das bedeutet, dass zum Beispiel bei

Gasentnahme aus dem ersten Raum und dadurch bedingter Volumenabnahme des ersten Raumes der zweite Raum im Wesentlichen in komplementärer Weise durch Nachführung eines Fluides in den zweiten Raum vergrößert wird. Ebenso kann bei Größenzunahme des ersten Raumes, zum Beispiel bei Befüllung des ersten Raumes mit Gas, der zweite Raum verkleinert werden, wobei dabei Fluid aus dem zweiten Raum abgelassen wird. Vorzugsweise ist das weitere Fluid eine Flüssigkeit. Bei Befüllung des zweiten Raumes mit der Flüssigkeit wird demzufolge der erste Raum durch eine inkompressible Umgebung begrenzt, so dass das Volumen des ersten Raumes klar durch das Volumen des zweiten Raumes definiert ist.

Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass der erste Raum durch ein Gefäß ausgebildet ist und der zweite Raum durch eine in ihrer Form und/oder Größe variable Aufnahmeeinrichtung ausgebildet ist. Alternativ ist vorgesehen, dass der erste Raum durch eine in ihrer Form und/oder Größe variable Aufnahmeeinrichtung ausgebildet ist, und der zweite Raum durch ein Gefäß ausgebildet ist. Unter einem Gefäß ist hierbei ein Behälter mit steifer Wandung zu verstehen, _das starr ausgeführt ist, und hinsichtlich seines Volumens unveränderlich ist. In den beiden genannten Varianten ist die variable Aufnahmeeinrichtung hinsichtlich ihrer Form und/oder Größe reversibel sowie elastisch ausgestaltet, so dass sie nach erfolgter Ausdehnung selbsttätig ihre Ausgangsgröße bzw. Ausgangsform einnehmen kann. In den genannten Varianten ist die

Trenneinrichtung durch die Aufnahmeeinrichtung ausgebildet In einer weiteren möglichen Ausgestaltungsform sind der erste und der zweite Raum in einem Gefäß angeordnet und mittels einer in ihrer Form und/oder Größe variablen Membran oder mittels eines verschieblichen Kolbens oder mittels eines größenveränderlichen Balges voneinander getrennt. In dieser Ausgestaltung ist die

Begrenzung des ersten Raumes und des zweiten Raumes durch die Innenwandung desselben Gefäßes sowie durch jeweils eine Seite einer Membran, die zwischen dem ersten Raum und dem zweiten Raum angeordnet ist, realisiert. Die jeweilige

Trenneinrichtung ist hier die Membran, der Kolben bzw. der Balg. Die Volumina der einzelnen Räume verändern sich bei Nutzung einer Membran oder eines Balges als Trenneinrichtung in einem Verhältnis von 1 : 1 , wobei jeweils eine komplementäre Größenänderung des ersten und des zweiten Raumes ausgeführt wird. Bei Nutzung von Kolben unterschiedlichen Durchmessers, die mechanisch miteinander gekoppelt sind, kann eine hydraulische Übersetzung zwischen diesen Kolben realisiert sein, so dass das Verhältnis der Raumänderungen von einem Verhältnis von 1 : 1 abweichen kann.

In einer weiteren Ausführungsvariante weist die Einstelleinheit ein weiteres Fluid, insbesondere ionisierte Flüssigkeit, in einer Kammer der Speichereinrichtung auf, wobei das weitere Fluid den ersten Raum bereichsweise begrenzt. Es ist in dieser Ausgestaltungsform vorgesehen, dass sich das Gas sowie das weitere Fluid zusammen in der Kammer befinden. Somit kontaktiert das weitere Fluid direkt das Gas im ersten Raum, so dass sich in Abhängigkeit vom Volumen des weiteren Fluids das Gas unter einem bestimmten, vorzugsweise konstanten Druck halten lässt.

In weiterer möglicher Ausgestaltungsform umfasst die Einstelleinheit ein

Begrenzungselement und ein mechanisch mit dem Begrenzungselement gekoppeltes Antriebsglied, wobei das Begrenzungselement den ersten Raum teilweise begrenzt und in seiner Form, Größe und/oder Position mittels des Antriebsgliedes veränderbar ist. Dieses Begrenzungselement kann ebenfalls ein Kolben oder auch ein Balg sein, der mechanisch in den ersten Raum bewegt wird, um bei Gasentnahme und dadurch bedingter Druckminderung den Druck im ersten Raum durch Verringerung des

Volumens des ersten Raumes im Wesentlichen konstant zu halten. Das heißt, dass im Unterschied zu den bisher genannten Ausgestaltungsformen in dieser Ausführung kein zweiter Raum mit einem weiteren Fluid vorhanden ist. Zur Versorgung der Speichereinrichtung sollte diese des Weiteren eine Pumpe aufweisen, mit der weiteres Fluid der Speichereinrichtung zugeführt werden kann. Zudem sollte die Speichereinrichtung zwecks Vergrößerung des ersten Raumes zur Gasaufnahme einen Druckhalteregler aufweisen, mit dem gesteuert oder geregelt weiteres Fluid aus dem zweiten Raum der Speichereinrichtung und einem Ablauf abgelassen werden kann.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Gas-Speichereinheit, welche eine erfindungsgemäße Speichereinrichtung umfasst, in deren erstem Raum Gas, insbesondere Wasserstoff, gespeichert ist. Insofern die Speichereinrichtung der Gas- Speichereinheit einen zweiten Raum umfassen sollte ist in diesem ein weiteres Fluid, insbesondere eine Flüssigkeit, gespeichert.

Es wird des Weiteren ein Verfahren zur zumindest teilweisen Befüllung oder

Entleerung einer erfindungsgemäßen Gas-Speichereinheit zur Verfügung gestellt, bei dem bei Realisierung eines Gas-Volumenstroms in den ersten Raum oder aus dem ersten Raum heraus das Volumen des ersten Raumes mittels der Einstelleinheit derart verändert wird, dass der Gasdruck im ersten Raum im Wesentlichen konstant gehalten wird. Vorzugsweise wird der Gasdruck genau konstant gehalten, wobei

Druckabweichungen von ca. 10.000 kPa zulässig sind.

Die Absenkung des Ausgangsdrucks kann durch die Verringerung des Druckes im zweiten Raum realisiert werden. Liegt dieser unter einer Schwelle, die für die

Lastwechselzahl des entsprechenden Druckbehälters relevant ist, so kann diese Absenkung durchgeführt werden.

Bei Ausgestaltung der Einstelleinheit mit einem zweiten Raum zur Aufnahme eines weiteren Fluides sowie mit einer Trenneinrichtung wird mittels eines Fluid- Volumenstromes in den zweiten Raum bzw. aus dem zweiten Raum heraus das Volumen des zweiten Raumes verändert und auf Grund der dadurch bewirkten Variation der Form, Größe und/oder Position der Trenneinrichtung ebenfalls das

Volumen des ersten Raumes in entgegengesetzter Weise verändert. Das heißt, dass bei Änderung des Druckes des Gases im ersten Raum der zweite Raum in seiner Größe derart geändert wird, dass der zweite Raum ein Volumen aufweist, dass das Volumen des ersten Raumes auf eine Größe begrenzt, die in Abhängigkeit von der Gasmenge im ersten Raum im Wesentlichen einen Druck im ersten Raum realisiert, der vor der Gasentnahme aus dem ersten Raum bzw. Gaszufuhr in den ersten Raum eingestellt war. Somit lässt sich der Druck im ersten Raum im Wesentlichen konstant halten, und zwar unabhängig von der Gasmenge im ersten Raum. Bei Ausgestaltung der Einstelleinheit mit einer in ihrer Form und/oder Größe variablen Membran oder mit einem verschieblichen Kolben oder mit einem größenveränderlichen Balg grenzen die Membran, der Kolben bzw. der Balg den ersten Raum vom zweiten Raum ab und werden durch Druckbeaufschlagung vom weiterem Fluid so bewegt, dass sich das Volumen des ersten Raumes an die jeweilige, realisierte Gasentnahme bzw. Gaszufuhr anpasst und sich der Druck im ersten Raum im Wesentlichen konstant halten lässt.

Bei Ausgestaltung der Einstelleinheit mit einem weiteren Fluid, insbesondere mit einer ionisierten Flüssigkeit, sowie der gemeinsamen Kammer für das Gas und das weitere Fluid wird bei Gasdruckänderung in der Kammer weiteres Fluid in die Kammer zugeführt oder von dort abgeleitet, so dass das für das Gas zur Verfügung stehende Volumen in der Kammer derart einstellbar ist, dass der Gasdruck in der Kammer im Wesentlichen konstant bleibt. Bei Ausgestaltung der Einstelleinheit mit einem den ersten Raum zumindest teilweise begrenzenden und in seiner Form, Größe und/oder Position veränderbaren

Begrenzungselement wird bei Gasdruckänderung im ersten Raum das

Begrenzungselement derart verschoben, dass das für das Gas zur Verfügung stehende Volumen derart begrenzt wird, dass der Gasdruck im Wesentlichen konstant bleibt.

Einige der genannten Ausgestaltungsformen basieren darauf, das Gas mittels eines weiteren Fluides, vorzugsweise einer Flüssigkeit, während der Gasentnahme unter einem möglichst konstanten Druck zu halten. Dabei steht das weitere Fluid in unmittelbarem Wirkzusammenhang mit dem Gasdruck im Speicher. Die

Speichereinrichtung besitzt zwei Anschlüsse, nämlich einen ersten Anschluss zur Zu- bzw. Ableitung des Gases sowie einen zweiten Anschluss zur Realisierung von Volumenströmen des weiteren Fluides. In vorteilhafter Weise wird mittels einer Hochdruckpumpe über den zweiten Anschluss der Druck im ersten Raum ständig auf mindestens dem gewünschten minimalen Ausgangsdruck der Speichereinrichtung gehalten. Sollte vor der Speichereinrichtung ein Verdichter installiert sein, so sollte vorzugsweise der Enddruck des Verdichters über dem Speicherdruck der

Hochdruckpumpe liegen, um der Speichereinrichtung Gas zuführen zu können. Bei einer solchen Gaszufuhr wird überschüssiges weiteres Fluid aus dem System mittels eines Druckhaltereglers abgeleitet.

Das Verfahren zur zumindest teilweisen Befüllung und Entleerung der Gas- Speichereinheit kann dabei derart ausgeführt werden, dass die verdrängte bzw. über die Hochdruckpumpe geförderte Fluidmenge messtechnisch erfasst wird. Anhand dieser Fluidmenge lässt sich die bei der jeweiligen Entnahme bzw. Befüllung der Speichereinrichtung ab- bzw. zugeführte Gasmenge bestimmen. Die Differenz- Fluidmenge kann im drucklosen Zustand gemessen werden, wobei eine

Massenmessung, zum Beispiel durch Aufstellung des Flüssigtanks auf einer Waage, oder auch eine Füllstandsmessung bzw. Flüssigmassendurchflussmessung zur

Anwendung kommen kann. Die indirekte Massenmessung kann relativ genau erfolgen, wobei die Umrechnung in die Maßeinheit des abgeführten bzw. zugeführten Gases dabei unter Berücksichtigung der jeweiligen Umgebungstemperatur erfolgt. Auf Grund der höheren Dichte des weiteren Fluides ist hier eine Mengenermittlung mit hoher Genauigkeit möglich.

Bei Gasentnahme aus der Speichereinrichtung hält die installierte Hochdruckpumpe den Druck im ersten Raum der Speichereinrichtung konstant. Das Gas bleibt somit unter einem konstanten Druck vorrätig. Somit kann das gesamte Volumen des ersten Raumes unter konstantem Druck entnommen werden. Sollte die jeweilige

Aufnahmeeinrichtung, zum Beispiel in Form einer flexiblen Blase, nicht die volle Speichergröße abdecken, so kommt es am Ende der Gasentnahme zu einem

Druckabfall. Dieser kann entweder durch ein Verschlussventil an der Blase oder aber auch durch eine Druckmessung am Strömungspfad des Gases detektiert werden. In diesem Fall ist das Volumen des ersten Raumes der Speichereinrichtung erschöpft und sollte nicht weiter entleert werden, so dass eine erneute Befüllung notwendig ist. In Abhängigkeit von dem tatsächlichen Entleerungsgrad findet hier zwar ein Lastwechsel statt, jedoch erfolgen bei der erfindungsgemäßen Speichereinrichtung über die durchschnittliche Lebensdauer hinweg wesentlich weniger Lastwechsel als bei herkömmlichen Speichereinrichtungen. Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Speichereinrichtung bei Betrieb innerhalb eines bestimmten Druckbereiches dauerfest ausgelegt und weist demzufolge eine theoretisch unendliche Lebensdauer auf.

Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Speichereinrichtung lässt sich deren Speichervolumen wesentlich effizienter ausnutzen. Das heißt, dass mit gleichem Materialaufwand wie bei herkömmlichen Speichereinrichtungen effektiv eine größere Gasmenge speicherbar ist, so dass weniger Befüllungsvorgänge notwendig sind.

Außerdem lassen sich die Transportkosten für eine jeweilig gesamte Anlage

minimieren und es besteht die Möglichkeit, die Anlagen ohne Supportflüssigkeit auszuliefern.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Speichereinrichtung ist jedoch die Verringerung der Lastwechsel. Herkömmliche Speichereinrichtungen haben auf Grund ihrer lastwechselbedingten hohen Materialbeanspruchung relativ geringe zulässige Lastwechselzahlen. Die Lebensdauer ist somit bei häufiger Befüllung, wie zum Beispiel bei Fahrzeugbetankungen, sehr eingeschränkt. Die erfindungsgemäße

Speichereinrichtung hält den Druckspeicher unter einem konstanten Druck, so dass im Wesentlichen keine Lastwechsel durch die Speichereinrichtung zu ertragen sind. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Speichereinrichtung wirken sich ebenfalls auf Folgesysteme aus. Bisherige, mit Speichereinrichtungen gekoppelte Aggregate wie zum Beispiel Verdichter und Betankungsdruckregler müssen wechselnde

Druckbedingungen ertragen. Dies wirkt sich entweder auf den Wirkungsgrad oder auch auf die Lebensdauer des Verdichters bzw. des Rampenreglers aus. Bei konstantem Ausgangsdruck der Speichereinrichtung ist die Auslegung des Verdichters wesentlich vereinfacht, da sich dieser nicht mehr an veränderte Druckbedingungen anpassen muss. Zudem wird der Steuerungsaufwand drastisch vereinfacht. Der

Betankungsdruckregler kann unter konstanten Druckbedingungen arbeiten. Neben der Vereinfachung der Steuerung bzw. Regelung können diese Vorgänge nunmehr ruhiger, das heißt vergleichmäßigter, gestaltet werden. Zudem lassen sich

regelungsbedingte thermodynamische Änderungen in direkter Relation zum konstanten Ausgangsdruck berechnen.

Die bei herkömmlicher Speicherzusammenschaltung erforderlichen

Druckrampenunterbrechungen bei Umschaltungen von einer Speicherkaskade auf die Nächste - die sogenannten Bankenumschaltungen - können mit dem erfindungsgemäßen System verhindert werden. Gegebenenfalls können auf Grund der Ausnutzung des gesamten Speichervolumens der Speichereinrichtungen komplette Kaskaden bzw. Bankensysteme mit ihrer notwendigen Regelungstechnik entfallen. Zudem ergeben sich durch die Vergleichmäßigung des Drucks keine bzw. wenige thermische Einflüsse bei der Befüllung bzw. Entleerung der jeweiligen

Speichereinrichtung bzw. Kaskaden.

Durch Regelung des Verdichters und/oder der Hochdruckpumpe können am Ende einer Gaszufuhr in die Speichereinrichtung sehr kleine„Druckrampen" gefahren werden, indem durch Zufuhr oder Abfuhr einer bestimmten Menge des weiteren Fluides die Einstelleinheit das Volumen des ersten Raumes mit einem derartigen Geschwindigkeitsprofil verändert, dass sich die gewünschte flache Druckrampe im ersten ausbildet.

Bei entsprechender Ausführung eines angeschlossenen Druckreglers lässt sich die Speichereinrichtung auf verschiedene Speicherdrücke einstellen.

Zur Ermittlung der zugeführten bzw. abgeführten Gasmenge aus der

Speichereinrichtung lässt sich alternativ zur Verwendung eines Massenmessers die Differenzmenge des weiteren Fluides als Messgröße für die Gasdifferenzmenge heranziehen. Dabei kann entweder das Gewicht des weiteren Fluides im zweiten Raum bzw. der Füllstand dieses zweiten Raumes als Referenzgröße verwendet werden.

Zudem kann die aktuelle Förderleistung eines Verdichters bei der Gaszufuhr durch das verdrängte Fluid ohne zusätzlichen Massendurchfluss besser gemessen werden. Dies ermöglicht Rückschlüsse auf den Zustand verwendeter Dichtungen bzw. Ventile. Im Ruhezustand der Speichereinrichtung lässt sich ein eventueller, unerwünschter Gasverlust in der Speichereinrichtung durch Erfassung der zusätzlichen Anforderung an die Pumpleistung detektieren.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Gas-Speichereinheit mit Blasenspeicher in einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Gas-Speichereinheit mit Blasenspeicher in einer zweiten Ausführungsform, Fig. 3 eine erfindungsgemäße Gas-Speichereinheit mit Membran,

Fig. 4 eine erfindungsgemäße Gas-Speichereinheit mit lediglich einer Kammer sowie einem Schwimmer und Fig. 5 eine erfindungsgemäße Gas-Speichereinheit mit lediglich einer Kammer sowie einem darin angeordneten Kolben.

Die in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Gas-Speichereinheit 100 weisen beide eine erfindungsgemäße Speichereinrichtung 1 auf, die ein Gefäß 10 sowie eine in diesem Gefäß 10 angeordnete

Aufnahmeeinrichtung 44 in Form einer Blase umfasst. Am Gefäß 10 ist einerseits ein erster Anschluss 31 sowie eine Sperreinrichtung 32 angeordnet, die einen

Strömungspfad 33 für ein durch die Speichereinrichtung 1 aufzunehmendes Gas 20 realisieren. Andererseits ist am Gefäß 10 ein zweiter Anschluss 45 vorhanden, mit welchem strömungstechnisch ein Druckhalteregler 81 sowie eine Pumpe,

vorzugsweise eine Hochdruckpumpe 80, verbunden ist. Die Ausführungsformen in Figur 1 und Figur 2 unterscheiden sich dahingehend voneinander, dass in Figur 1 das Gas 20 in einem ersten Raum 30 aufgenommen ist, der durch die Innenseite des Gefäßes 10 sowie durch die Außenseite der Aufnahmeeinrichtung 44 begrenzt ist. In Figur 2 wird dieser erste Raum 30 zur Aufnahme des Gases 20 lediglich durch die Innenseite der Aufnahmeeinrichtung 44 begrenzt.

In Figur 1 wird ein zweiter Raum 41 zur Aufnahme des weiteren Fluides 42 durch das Volumen der Aufnahmeeinrichtung 44 definiert. In Figur 2 wird der zweite Raum 41 zur Aufnahme des weiteren Fluides 42 durch die Innenseite des Gefäßes 10 sowie durch die Außenseite der Aufnahmeeinrichtung 44 definiert.

In beiden Ausgestaltungsformen ist hier die Aufnahmeeinrichtung 44 gleichzeitig die Trenneinrichtung 43 zur Trennung des ersten Raumes 20 vom zweiten Raum 41.

Bei Zuführung von Gas 20 in den ersten Raum 30 der Speichereinrichtung 1 gemäß Figur 1 wird zur Konstanthaltung des Druckes im ersten Raum 20 weiteres Fluid 42 aus dem zweiten Raum 41 durch Betätigung des Druckhaltereglers 81 aus dem Ablauf 82 herausgelassen.

Bei Gasentnahme aus dem ersten Raum 20 wird durch Betätigung der Pumpe 80 weiteres Fluid 42 in den zweiten Raum 41 nachgeführt, so dass auch in dieser Situation der Druck des Gases 20 im ersten Raum 30 konstant gehalten werden kann.

Bei den beiden in Figur 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen ist demzufolge eine Einstelleinheit 40 realisiert, die die Aufnahmeeinrichtung 44 sowie das weitere Fluid 42 umfasst. Auf Grund der Möglichkeit, die blasenmäßig ausgestaltete Aufnahmeeinrichtung 44 gemäß der Ausführungsform in Figur 1 der Geometrie des Gefäßes 10 bzw. des ersten Raumes 30 anzupassen, stellt diese Ausführungsform die Lösung dar, mit der die höchste Effizienz der Gasspeicherung ermöglicht wird. Das Material der

Aufnahmeeinrichtung selbst kann auf Grund des Druckgleichgewichtes der umgebenen Medien drucklos gehalten werden, so dass die Ausführung der Aufnahmeeinrichtung 44 aus einem relativ dünnen Material, wie zum Beispiel einer Gummihaut, möglich ist.

Die Ausführungsform gemäß Figur 2 hat den Vorteil, dass die Innenwandung des Gefäßes 10 selbst nicht mit dem Gas in Kontakt kommt, so dass diese

Ausführungsform insbesondere bei Speicherung relativ aggressiver Gase besonders vorteilhaft ist.

Die in Figur 3 dargestellte weitere Ausführungsform weist statt einer blasenförmigen Aufnahmeeinrichtung 44 im Inneren des Gefäßes 10 eine Membran 50 auf, die hinsichtlich ihrer Form, Größe und/oder Position veränderbar ist. Diese Membran 50 trennt als Trenneinrichtung 43 den ersten Raum 30 zur Aufnahme des Gases vom zweiten Raum 41 zur Aufnahme des weiteren Fluides 42. Insbesondere

Speichereinrichtungen 1 mit relativ geringer Höhe, also mit relativ geringem Abstand zwischen dem ersten Anschluss 31 und dem zweiten Anschluss 45, lassen sich mit einem derartigem Membranspeicher ausführen. Die Membran 50 ist dabei

vorzugsweise verformbar bzw. dehnbar, so dass sie unterschiedlichen Volumina im ersten Raum 30 bzw. im zweiten Raum 41 angepasst werden kann. In alternativer Ausgestaltung zur in Figur 3 dargestellten Ausführungsform kann statt einer Membran 50 auch ein Faltenbalg oder ein Wellenbalg eingesetzt werden, dessen eine Seite das Gas im ersten Raum begrenzt und dessen gegenüberliegende Seite vom weiteren Fluid kontaktiert wird.

In Figur 4 ist eine Ausführungsvariante der Speichereinrichtung 1 bzw. einer Gas- Speichereinheit 100 dargestellt, bei der keine Trenneinrichtung zwischen dem Gas 20 und dem weiteren Fluid 42 vorhanden ist. Das Gas 20 und das weitere Fluid 42 befinden sich hier in einer gemeinsamen Kammer 70. Zwischen dem Gas 20 und dem weiteren Fluid 42 ist eine Phasengrenze 71 ausgebildet. Je nach Befüllung der Kammer 70 mit dem weiteren Fluid 42 verringert bzw. vergrößert sich das Volumen des ersten Raumes 30 zur Aufnahme des Gases 20. In entsprechender Weise lässt sich auch hier bei Gaszufuhr bzw. Gasabfuhr der Druck des Gases 20 konstant halten. Das verwendete weitere Fluid 42 ist vorzugsweise eine ionische Flüssigkeit. Zur Verhinderung, dass weder weiteres Fluid 42 in das Gassystem gepumpt wird oder das Gas 20 über den Druckhalteregler 81 aus dem System austritt ist ein Schwimmer 72 vorgesehen, der bei vollständiger Füllung der Kammer 70 mit weiterem Fluid 42 den ersten Anschluss 31 schließen kann und bei vollständiger Füllung der Kammer 70 mit Gas 20 den zweiten Anschluss 45 schließen kann. Zur Sicherstellung dieser Funktion umfasst die Speichereinrichtung 1 vorzugsweise eine dargestellte Führung 73, um eine exakte Positionierung des Schwimmers 72 am ersten Anschluss 31 bzw. am zweiten Anschluss 45 zu gewährleisten. Die ionische Flüssigkeit ist vorzugsweise ein Salz, welches bei Raumtemperatur flüssig ist.

In Figur 5 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gas- Speichereinheit 100 dargestellt, bei welcher die Speichereinrichtung 1 wiederum eine Kammer 70 aufweist, in welcher das Gas 20 sowie auch das weitere Fluid 42 aufgenommen sind. Diese beiden Medien sind jedoch hier durch einen dazwischen angeordneten Kolben 60 separiert, der hier demzufolge die Trenneinrichtung 43 realisiert. In ähnlicher Weise wie bei der in Figur 4 dargestellten Ausführungsform lässt sich auch hier der Druck des Gases 20 durch den jeweiligen Füllstand des weiteren Fluides 42 einstellen, wobei jedoch keine direkte Kontaktierung des Gases 20 mit dem weiteren Fluid 42 erfolgt. Gegebenenfalls existierende Hohlräume zwischen

Dichtungen am Kolben 60 sollten jedoch nicht druckentlastet sein, da es hierbei in entsprechenden Bereichen des Gefäßes 10 zu Lastwechseln kommen kann.

Bei räumlicher Trennung des Gases 20 und des weiteren Fluides 42 in extra Gefäßen bzw. im voneinander separierten ersten Raum 30 und zweiten Raum 41 sowie bei

Verwendung von Kolben unterschiedlichen Durchmessers lässt sich eine hydraulische Übersetzung zwischen dem weiteren Fluid 42 und dem Gas 20 realisieren. Das heißt, dass in einer solchen Ausgestaltung keine äquivalente Erhöhung bzw. Minderung des Volumens des Weiteren Fluides 42 bei entsprechender Gaszufuhr bzw. Gasabfuhr realisiert werden würde.

In Abwandlung der in Figur 5 dargestellten Ausführungsform kann auf das weitere Fluid 42 in der Kammer 70 verzichtet werden, wobei hier der Kolben 60 mit einem

mechanischen Antrieb, wie zum Beispiel mit einer Spindel, versehen sein würde, mit dem das Volumen des Gases 20 in beschriebener Weise variiert werden könnte.

Bezugszeichenliste

1 Speichereinrichtung

10 Gefäß

20 Gas

30 erster Raum

31 erster Anschluss 2 Sperreinrichtung 3 Strömungspfad 0 Einstelleinheit 1 zweiter Raum 2 weiteres Fluid 3 Trenneinrichtung 4 Aufnahmeeinrichtung 5 zweiter Anschluss 0 Membran

0 Kolben

0 Kammer

1 Phasengrenze 2 Schwimmer

3 Führung

0 Pumpe

1 Druckhalteregler 2 Ablauf

00 Gas-Speichereinheit

Claims

Patentansprüche

Speichereinrichtung (1) zur Speicherung eines Gases (20), insbesondere zur Speicherung gasförmigen Wasserstoffs, mit einem ersten Raum (30) zur

Aufnahme des Gases (20) und mit einer Sperreinrichtung (32) zur Schließung und Öffnung eines an den ersten Raum (30) angeschlossenen Strömungspfades (33), dadurch gekennzeichnet, dass die Speichereinrichtung (1) eine Einstelleinheit (40) zur Volumenänderung des ersten Raumes (30) umfasst.

Speichereinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die

Einstelleinheit (40) einem zweiten Raum (41) zur Aufnahme eines weiteren Fluids (42) sowie eine Trenneinrichtung (43) aufweist, wobei der erste Raum (30) und der zweite Raum (41) mittels der Trenneinrichtung (43) voneinander separiert sind und die Trenneinrichtung (43) auf Grund ihrer Variabilität hinsichtlich ihrer Form, Größe und/ oder Position bei Veränderung des Volumens des zweiten Raumes (41) eine Veränderung des Volumens des ersten Raumes (30) in entgegengesetzter Weise in einem bestimmten Verhältnis ermöglicht.

Speichereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Raum (30) durch ein Gefäß (10) ausgebildet ist und der zweite Raum^'(41) durch eine in ihrer Form und/ oder Größe variable Aufnahmeeinrichtung (44) ausgebildet ist.

Speichereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Raum (30) durch eine in ihrer Form und/ oder Größe variable Aufnahmeeinrichtung (44) ausgebildet ist und der zweite Raum (41) durch ein Gefäß (10) ausgebildet ist.

Speichereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Raum (30) und der zweite Raum (41) in einem Gefäß (10) angeordnet sind und mittels

i) einer in ihrer Form und/ oder Größe variablen Membran (50), oder

ii) eines verschiebbaren Kolbens (60), oder

iii) eines größenveränderlichen Balges

voneinander getrennt sind.

6. Speichereinrichtung nach Anspruch 1 , dass die Einstelleinheit ein weiteres Fluid (42), insbesondere ionisierte Flüssigkeit, sowie eine Kammer (70) aufweist, wobei sich das weitere Fluid (42) in der Kammer (70) befindet und den ersten Raum (30) bereichsweise begrenzt.

7. Speichereinrichtung nach Anspruch 1 , dass die Einstelleinheit (40) ein

Begrenzungselement sowie ein mechanisch mit dem Begrenzungselement gekoppeltes Antriebsglied umfasst, wobei das Begrenzungselement den ersten Raum (30) zumindest teilweise begrenzt und mittels des Antriebsgliedes in seiner

Form, Größe und/ oder Position veränderbar ist.

8. Gas-Speichereinheit (100), umfassend eine Speichereinrichtung (1 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei im ersten Raum (30) der Speichereinrichtung (1) Gas (20), insbesondere Wasserstoff, gespeichert ist.

9. Verfahren zur zumindest teilweisen Befüllung oder Entleerung einer Gas- Speichereinheit (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem bei

Realisierung eines Gas-Volumenstromes in den ersten Raum (30) oder aus dem ersten Raum (30) heraus das Volumen des ersten Raumes (30) mittels der

Einstelleinheit (40) derart verändert wird, dass der Gasdruck im ersten Raum (30) im Wesentlichen konstant gehalten wird.

10. Verfahren zur zumindest teilweisen Befüllung oder Entleerung einer Gas- Speichereinheit (100) nach Anspruch 9, dass bei Ausgestaltung der Einstelleinheit

(40) mit einem zweiten Raum (41 ) zur Aufnahme eines weiteren Fluids (42) sowie mit einer Trenneinrichtung (43) mittels eines Fluid-Volumenstromes in den zweiten Raum (41 ) bzw. aus dem zweiten Raum (41) heraus das Volumen des zweiten Raumes (41 ) verändert wird und auf Grund der dadurch bewirkten Variation der Form, Größe und/ oder Position der Trenneinrichtung (43) ebenfalls das Volumen des ersten Raumes (30) in entgegengesetzter Weise verändert wird.