Fahrzeuge, die mit Erdgas als Kraftstoff betrieben werden, zeichnen sich durch ver- gleichsweise geringe Schadstoffemissionen aus, was sich insbesondere bei Bussen im innerstädtischen Verkehr als besonders vorteilhaft erweist. Über das Erdgasverteilernetz ist Erdgas als Kraftstoff nahezu flächendeckend verfügbar. Als Kraftstoff kommen aber auch andere Gase, wie beispielsweise Wasserstoff oder aufbereitetes Biogas in Frage.

Zum Betanken von Fahrzeugen sind spezielle Gastankstellen erforderlich. Da der spezifische Brennwert von Gasen, wie beispielsweise Erdgas, vergleichsweise gering ist, muß das Gas von Gastankstellen verdichtet und in nichtverflüssigter Form in Gastanks bzw. Druckbehälter von Kraftfahrzeugen überführt werden. Um eine maximale Fahrzeugreichweite zu gewährleisten, sollte der Fahrzeuggastank bis auf den maximal zulässigen Betriebsdruck gefüllt werden. Üblicherweise geht man derzeit von maximalen Betriebsdrücken von etwa 200 bar bei Kraftfahrzeugen aus.

In Fig. 6 sind drei unterschiedliche Konzepte zum Betanken von Fahrzeugen mit verdichtetem Gas dargestellt, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind. Fig. 6a zeigt schematisch das sog. Slow-Fill-Verfahren, bei dem das Erdgas dem Erdgasnetz 1 mit einem Druck von typischerweise 0, 2 bis 50 bar oder einem Gasbehälter entnommen, in einem Verdichter 2 auf den Befüll-bzw. Betriebsdruck im Gastank 7 verdichtet und über eine Zapfsäule 6 in den Gastank 7 überführt wird. Das Slow-Fill-Verfahren wird üblicherweise zum langsamen Betanken von Fahrzeugen über einen Zeitraum von mehreren Stunden, beispielsweise über Nacht, eingesetzt. Zum Verkürzen der Tankzeit wären kostspielige Hochleistungsverdichter erforderlich, die jedoch zwischen einzelnen Betankungsvorgängen ungenützt blieben.

Um Gastankstellen in der Art von Benzintankstellen-also mit entsprechend kurzen Tankzeiten-realisieren zu können, werden bei dem in den Fig. 6b und 6c dargestellten Fast-Fill-Verfahren Gasspeicher verwendet, in denen zwischen den einzelnen Betankungsvorgängen das vom Verdichter gelieferte verdichtete Gas zwischengespeichert wird. Die Größe des Gasspeichers richtet sich nach der Anzahl und der zeitlichen Aufeinanderfolge der zu betankenden Fahrzeuge. Bei dem Verfahren gemäß Fig. 6b wird das Gas aus dem Gasspeicher 18 aufgrund einer Druckdifferenz zwischen dem Gasspeicher 18 und dem Gastank 7 in den Gastank überführt. Die mit derartigen Tankvorgängen nach dem Überströmprinzip verbundene Entnahme von Gas aus dem Gasspeicher führt zu einer Verringerung des Gasdrucks im Gasspeicher mit der Folge, daß zum einen die Tankzeiten länger werden und daß zum anderen der Gasstrom zwischen Gasspeicher und Gastank dann zum Erliegen kommt, wenn bei einem Tank- vorgang der Druck im Gastank soweit ansteigt, daß der Druck im Gasspeicher erreicht ist.

Sowohl eine derartige unzumutbare Verlängerung der Tankzeit als auch das Unter- schreiten des Maximaldrucks im Gastank beschränken den Nutzungsgrad des Gas- speichers, also das Verhältnis von möglicher Gasentnahme und maximaler Gasspeiche- rung.

Erschwerend kommt hinzu, daß beim schnellen Betanken von Bussen diese mit 10%-15% über dem zulässigen Betriebsdruck des Gastanks, also mit 220-230 bar, betankt werden, um den hierbei entstehenden Temperaturanstieg und damit die Gasausdehnung im Gastank zu kompensieren.

Um den Nutzungsgrad des Gasspeichers zu vergrößern und um ihn-beispielsweise aus wirtschaftlichen Gründen-auf einen geringeren Maximaldruck, z. B. von 250 bar auszulegen, wurde vorgeschlagen, den Gasspeicher 18 als sog. Drei-Bank-System auszulegen, bei dem der Gasspeicher 3 einzelne Gasspeicher umfaßt, mit denen der Gastank 7 der Reihe nach betankt wird. Zum Betanken wird der Gastank zunächst mit dem ersten Gasspeicher verbunden, bis im Gastank ein Druck von beispielsweise 130 bar erreicht ist. Anschließend wird auf den zweiten Gasspeicher umgeschaltet, bis im Gastank ein Druck von 170 bar erreicht ist. Anschließend wird auf den dritten Gasspeicher umgeschaltet, bis sich der gewünschte Enddruck von beispielsweise 200 bar im Gastank eingestellt hat. Aufbau und Regelung dieses 3-Bank-Systems ist vergleichsweise aufwendig. Bei einem derartigen 3-Bank-System läßt sich in der Praxis der Nutzungsgrad des Gasspeichers auf 35-40% steigern.

Um in jedem Fall einen maximalen Betriebsdruck im Gastank zu gewährleisten, und zwar unabhängig vom Vordruck im Gasspeicher 18, wurde in DE 196 50 999 Cl das gattungsbildende System gemäß Fig. 6c vorgeschlagen. Dabei ist dem Gasspeicher 18, der auch als Ein-Bank-System ausgelegt sein kann, ein Verdichter 11 nachgeschaltet, der das Gas auf den Betriebsdruck nachverdichtet. Allerdings hängt der Drucksatz eines Verdichters linear von seinem Vordruck ab. Somit variiert der Durchsatz des Verdichters 11 und somit auch bei diesem System die Tankzeit in Abhängigkeit vom Füllungsgrad bzw. Vordruck des Gasspeichers 18, also entsprechend den bei einem Tankzyklus bereits betankten Fahrzeugen. Auch hier ist also ein vergleichweise hoher Restdruck im Gasspeicher erforderlich, um akzeptable Tankzeiten sicherzustellen. Der Nutzungsgrad des Gasspeichers 18 läßt sich bei diesem System auf ca. 50% bis maximal 60% steigern.

Zusammenfassend läßt sich also feststellen, daß bei den Fast-Fill-Verfahren zum Betanken von Fahrzeugen mit verdichtetem Gas der Gasdruck im Gasspeicher eine entscheidende und begrenzende Rolle spielt ; und zwar in Bezug auf Tankzeit, Erreichen des maximalen Befülldruckes im Gastank und in Bezug auf den Nutzungsgrad des Gasspeichers.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Vorrichtung bzw. ein solches Verfahren weiterzubilden. Insbesondere soll die Vorrichtung bzw. das Verfahren kürzere und kalkulierbare Tankzeiten ermöglichen, vergleichbar etwa zum Betanken mit Flüssigtreibstoffen, sowie den jeweils erforderlichen Befülldruck im Gastank sicherstellen können.

Diese Aufgabe wird durch eine Zapfanlage gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 9 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Grundsätzlich basiert die vorliegende Erfindung auf der Idee, als Gasspeicher einen sog. dynamischen Gasspeicher zum Zwischenspeichern von Gas zu verwenden. Das Gasvolumen bzw. das zum Speichern von Gas nutzbare Volumen eines dynamischen Gasspeichers kann variiert werden und wird während des Betankens des Gastanks \ erfindungsgemäß so geändert, daß der Druck des Gases im Gasvolumen des dynamischen Gasspeichers im wesentlichen konstant gehalten wird. Durch diese Maßnahme wird gewährleistet, daß pro Zeiteinheit im wesentlichen eine konstante Menge an verdichtetem Gas in den Gastank überführt werden kann. Weiterhin wird durch diese Maßnahme gewährleistet, daß aufgrund des im wesentlichen konstanten Drucks im Gasvolumen im wesentlichen 100% des Gasvolumens ausgenutzt werden kann, und zwar unabhängig von der jeweiligen Größe des Gasvolumens und der Menge des in den Gastank abgegebenen Gases. Insgesamt wird der Betankungsvorgang vergleichbar zum Betanken mit einem Flüssigtreibstoff mit konstanter Pumpleistung.

Erfindungsgemäß weist die Zapfanlage, die gegebenenfalls eine Gasquelle fur das Arbeitsgas, die einen Gasspeicher für das Arbeitsgas und die eine Abgabeeinrichtung zum Abgeben des Arbeitsgases an den Gastank umfaßt, eine Einrichtung auf, die während der Abgabe des Arbeitsgases aus dem dynamischen Gasspeicher über eine Änderung des Gasvolumens im dynamischen Gasspeicher den Druck im dynamischen Gasspeicher im wesentlichen konstant hält.

Dem dynamischen Gasspeicher braucht kein weiterer Verdichter nachgeordnet zu sein.

In diesem Fall wird das Gas im Gasvolumen des Gasspeichers während der Abgabe des Arbeitsgases bzw. Brenngases im wesentlichen auf dem im Gastank zu erzielenden Betriebsdruck gehalten. Sofern beispielsweise eine Temperaturänderung beim Überführen des Gases in den Gastank kompensiert werden soll, kann der Druck im Gasspeicher auch geeignet höher gewählt werden. Dem dynamischen Gasspeicher kann jedoch auch ein Verdichter oder ein Verdichteraggregat nachgeordnet sein, um das Gas geeignet auf den Betriebsdruck im Gastank nachzuverdichten. Aufgrund des konstanten Vordrucks wird der Durchsatz des Verdichters erfindungsgemäß im wesentlichen konstant sein.

Vorzugsweise umfaßt der dynamische Gasspeicher ein Druckflüssigkeitsvolumen zur Aufnahme einer Druckflüssigkeit, um das Gas im Gasvolumen mit einem vorgegebenen Druck, der geeignet gewählt wird, zu beaufschlagen. Ferner ist eine Einrichtung vorgesehen, um dem Druckflüssigkeitsvolumen insbesondere bei der Abgabe des Arbeitsgases aus dem Gasvolumen eine geeignete Menge an Druckflüssigkeit zuzuführen bzw. von diesem insbesondere beim Befüllen des Gasvolumens mit Arbeitsgas wieder aufzunehmen. Durch geeignete Änderung des Druckflüssigkeitsvolumens kann somit in einfacher Weise Gas mit konstantem Druck in einen Gastank überführt werden.

Vorzugsweise handelt es sich bei dem dynamischen Speicher um einen Hydraulik- speicher. Ein Hydraulikspeicher besteht aus einem Behälter, der durch eine Blase, eine Membran, einen frei beweglichen, ungesteuerten Kolben oder dergleichen in zwei Kammern unterteilt ist, wobei die eine Kammer mit imkompressibler Druckflüssigkeit und die andere mit Gas gefüllt ist. Hydraulikspeicher werden im Stand der Technik zur Energiespeicherung und Energieübertragung in hydraulischen Systemen verwendet, wobei die Speicherung der hydraulischen Energie durch Komprimierung des in der Gaskammer eingeschlossenen Gases erfolgt. Erfindungsgemäß wird jedoch ein bekannter Hydraulikspeicher in umgekehrter Weise verwendet ; durch Änderung des Druck- flüssigkeitsvolumens wird nämlich der Gasdruck durch entsprechende Änderung des Gasvolumens des Gasspeichers im wesentlichen konstant gehalten.

Vorzugsweise ist die Summe aus dem Gasvolumen und dem Druckflüssigkeitsvolumen des dynamischen Gasspeichers konstant bzw. im wesentlichen konstant. Somit entspricht die Menge der dem Druckflüssigkeitsvolumen zugeführten bzw. abgeführten Druckflüssigkeit im wesentlichen der Menge an Gas bei dem vorgegebenen Druck, die dem Gasvolumen entnommen bzw. zum Wiederauffüllen des Gasspeichers zugeführt wird. Eine Variation der dem Gastank pro Zeiteinheit zugeführten Gasmenge kann somit in einfacher Weise über die Leistung der Einrichtung, beispielsweise einer Hydraulikpumpe, erreicht werden. Vorteilhaft ist, daß durch geeignete Auslegung der Einrichtung in einfacher und kostengünstiger Weise eine relativ kurze Betankungsdauer erreicht wird.

Vorteilhaft ist, daß aufgrund des im wesentlichen konstanten Gasdrucks in dem System hinter dem dynamischen Gasspeicher die Betankungszeit unabhängig vom Füllungsgrad des Gasspeichers ist. Diese ist vielmehr von der Leistung, mit der die Einrichtung dem Druckflüssigkeitsvolumen Druckflüssigkeit zuführen kann, abhängig.

Als Gasquelle zur Versorgung des Systems kommt unmittelbar ein Gasnetzanschluß in Betracht, sofern das Gasnetz geeignet vorverdichtetes Gas bereitstellt, beispielsweise zu 50 bar. Als Gasquelle kommen insbesondere für entlegene Gastankstellen ohne eigenen Gasnetzanschluß auch mobile und/oder austauschbare Gasdruckbehälter in Frage, die an die Zapfanlage angeschlossen werden. Falls jedoch die Zapfanlage an ein Gasleitungsnetz mit relativ geringem Gasdruck angeschlossen ist, wird das Gas bei der Entnahme aus dem Gasnetz vorzugsweise geeignet vorverdichtet, wobei der Gasdruck nach der Verdichtung durchaus über dem Befülldruck des Gastanks liegen kann, um z. B. das Gesamtvolumen des dynamischen Gasspeichers zu reduzieren.

Bei der Einrichtung handelt es sich vorzugsweise um eine Hydraulikpumpe mit üblicher Regelung, um dem Druckflüssigkeitsvolumen eine geeignete Menge von Druckflüssig- keit, z. B. Hydrauliköl, zuzuführen bzw. von diesem abzuführen.

In einer ersten Ausführungsform umfaßt die Zapfanlage einen oder mehrere dynamische Gasspeicher, die entweder unmittelbar aus einer Gasquelle, wie vorstehend angeführt, mit Gas befüllt werden, oder die einem Verdichter zum Verdichten des aus der Gasquelle entnommenen Gases nachgeschaltet sind. Der Verdichter kann ständig oder intermittierend betrieben werden. Während des Befüllens des Gasvolumens ist vorzugsweise eine Verbindung zu einem Druckflüssigkeits-bzw. Hydraulikreservoir freigegeben, so daß das Gasvolumen des dynamischen Gasspeichers unter Verdrängung von Druckflüssigkeit zunehmen kann. Zum Befüllen des Gastanks gibt die Abgabeein- richtung bzw. die Zapfsäule eine Verbindung zwischen dem Gasvolumen und dem Gastank frei. Ferner wird die Verbindung zwischen dem Druckflüssigkeitsreservoir und dem Druckflüssigkeitsvolumen vorzugsweise gesperrt und eine Hydraulikpumpe zum Fördern von Druck-bzw. Hydraulikflüssigkeit in das Druckflüssigkeitsvolumen zugeschaltet. Die Hydraulikpumpe wird so geregelt, daß der Gasdruck im Gasvolumen im wesentlichen konstant bleibt. Zusätzliche Druckflüssigkeit führt somit zu einer entsprechenden Zunahme des Druckflüssigkeitsvolumens und einer Abnahme des Gasvolumens des dynamischen Gasspeichers, Der Druck im Gasvolumen entspricht vorzugsweise dem Befülldruck des Gastanks.

Jedoch kann-falls zweckmäßig-der dynamische Gasspeicher auch auf einen niedri- geren Gasdruck ausgelegt werden als für den Betriebsdruck des Gastanks erforderlich.

In diesen Fällen wird dem dynamischen Gasspeicher ein Verdichter nachgeordnet, der das Gas auf den Befülldruck nachverdichtet. Dieser Verdichter wird erfindungsgemäß mit einem konstanten Vordruck beaufschlagt, so daß der Durchsatz an Gas im wesentlichen konstant ist. Somit wird erfindungsgemäß ein konstanter Gasmengendurchsatz pro Zeiteinheit gewährleistet.

Das Gasvolumen einer Zapfanlage wird ausgelegt entsprechend der Anzahl der in einem bestimmten Zeitintervall (z. B. Spitzenlast/Spitzenstunde) zu betankenden Fahrzeuge, der Größe ihrer jeweiligen Gastanks sowie der Leistung des Verdichters. Hierzu können mehrere dynamische Gasspeicher parallel geschaltet werden zu einer Kaskade bzw. zu einem Bündel, die bzw. das von der Steuerung des Systems als Einheit betrachtet wird, also gleichzeitig mit Gas befüllt wird oder zum Betanken von Fahrzeugen dient.

Weiterhin können mehrere Kaskaden bzw. Bündel hintereinander geschaltet werden, um so über eine Kaskade bzw. ein Bündel zu betanken und gleichzeitig eine andere Kaskade bzw. ein anderes Bündel wieder mit verdichtetem Gas zu befüllen.

In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform umfaßt die Zapfanlage sowohl dynamische als auch passive Gasspeicher, das heißt Gasspeicher mit im wesentlichen konstantem Gasvolumen, wie sie bei 1-oder Mehr-Bank-Systemen eingesetzt werden.

Beispielsweise ist der passive Gasspeicher dem dynamischen Gasspeicher vorgeschaltet.

Bei dem passiven Gasspeicher kann es sich um ein Ein-Bank-System oder auch um ein Mehr-Bank-System handeln. Bei dieser Ausfuhrungsform wird das Gas aus der Gasquelle ständig oder auch intermittierend zunächst in den passiven Gasspeicher überführt und dort zwischengespeichert. Zu Beginn eines Zyklus wird anschließend das Gas von dem passiven in den dynamischen Gasspeicher überführt. Hierzu sind der passive und der dynamische Gasspeicher vorzugsweise über ein Absperrventil miteinander verbunden.

Vorzugsweise ist das Absperrventil während der Abgabe von Gas aus dem dynamischen Gasspeicher in den Gastank geschlossen, so daß das Gas im passiven Gasspeicher für den nächsten Tankzyklus zwischengespeichert wird. Wenn die Abgabe von Gas an den Gastank abgeschlossen ist, wird Gas zum Wiederaufüllen des Gasvolumens des dynamischen Gasspeichers vom passiven Gasspeicher über das dann geöffnete Absperrventil in das Gasvolumen des dynamischen Gasspeichers überführt. Bei diesem Wiederauffüllen des Gasvolumens des dynamischen Gasspeichers wird in der oben angeführten Weise Druckflüssigkeit abgelassen und das Gasvolumen des dynamischen Gasspeichers vergrößert. Vor einem erneuten Betanken wird das Absperrventil wieder verschlossen und das Gas im Gasvolumen des dynamischen Gasspeichers gegebenenfalls auf den Betriebsdruck des Gastanks oder gegebenenfalls auf einen Vordruck verdichtet, der auf einen nachgeordneten Verdichter abgestimmt ist.

Die Steuerung der Zapfanlage kann wahlweise oder alternativ auch so erfolgen, daß der vorgeschaltete Gasspeicher immer dann gefüllt wird, wenn dies die Auslastung der Zapfanlage bzw. die Kapazität des Verdichters zuläßt, beispielsweise auch dann, wenn gerade kein Gas vom dynamischen Gasspeicher in den Gastank überführt wird.

Auch bei dieser Ausführungsform können die einzelnen dynamischen Gasspeicher der Zapfanlage zu Kaskaden gebündelt und diese hintereinander geschaltet werden, um ein paralleles Betanken und Wiederauffüllen aus dem passiven Gasspeicher zu ermöglichen.

Bei dieser Ausführungsform hängt der Nutzungsgrad des Gasspeichers der Zapfanlage vom Verhältnis des geometrischen Volumens von passiven und dynamischen Speichern ab und variiert zwischen 40% und 100%.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Gesamtzahl der installierten Gasspeicher in zwei Gruppen unterteilt, wobei im Normalbetrieb jeweils die eine Gruppe als dynamischer Gasspeicher und die andere Gruppe als passiver Gasspeicher betrieben wird. Bei Ausfall eines Verdichters, sei es ein vorgeschalteter Verdichter, z. B. zum Verdichten des Gases aus dem Gasnetz und Überpumpen in den Gasspeicher, oder sei es ein nachgeschalteter Verdichter zwischen Gasspeicher und Gastank, wird auch die andere Gruppe als dynamischer Gasspeicher betrieben.

Ist die im Normalbetrieb passive Gasspeicher-Gruppe der dynamischen Gasspeicher- Gruppe vorgeschaltet, so ist im Normalbetrieb die Funktionsweise des Gasspeichers wie in der vorhergehenden Ausführungsform beschrieben. Bei Ausfall des Verdichters zwischen Gasleitung und Gasspeicher übernimmt die bisher passive Gasspeichergruppe dessen Funktion. Dazu wird eine Verbindungsleitung zwischen Gasleitung und diesem Gasspeicher aktiviert. Das dann in das Gasvolumen dieser Gasspeicher-Gruppe ein- strömende Gas wird durch die Hydraulikeinrichtung auf den Druck verdichtet, wie in der nachgeschalteten dynamischen Gasspeicher-Gruppe benötigt, und anschließend in diese übergepumpt. Ob durch die Verdichterleistung der vorgeschalteten Gasspeicher-Gruppe die Leistung des ausgefallenen Verdichters ganz oder nur teilweise kompensiert werden kann, hängt von einer Reihe von Faktoren ab, beispielsweise von dem Prozentanteil des ausgefallenen Verdichters an der Gesamtverdichterleistung, von dem Vordruck im Gasnetz, von der Größe des Gasvolumens der vorgeschalteten Gasspeicher-Gruppe und von der Leistung der Hydraulikanlage.

Soll die im Normalbetrieb passive Gasspeicher-Gruppe einen nachgeschalteten Verdichter bei Ausfall ersetzen können, so ist sie zu diesem Zweck hinter diesem Verdichter angeordnet. Im Normalbetrieb wird diese Gasspeicher-Gruppe zwischen zwei Tank- vorgängen von dem nachgeschalteten Verdichter auf den Befülldruck des Gastanks aufgefüllt. Während des anschließenden Betankungsvorgangs strömt Gas aus dieser passiven Gasspeicher-Gruppe in den Gastank, bis die Druckdifferenz zwischen diesem Gasspeicher und dem Gastank zu gering wird. Das vollständige Befüllen des Gastanks \ erfolgt über den Verdichter mit Gas aus dem dynamischen Gasspeicher. Bei Ausfall des nachgeschalteten Verdichters wird der bisherige passive Gasspeicher als dynamischer Gasspeicher betrieben und dazu mit der dynamischen Gasspeicher-Gruppe- beispielsweise als weitere Kaskade (n) bzw. Bündel-gekoppelt. Dieser so vergrößerte dynamische Speicher arbeitet dann in zwei Takten : nach dem Füllen durch den vorgeschalteten Verdichter wird zunächst das Gas im Gasvolumen von dem Gasdruck, der durch den vorgeschalteten Verdichter erzeugt wurde, auf den jetzt erforderlichen Befülldruck des Gastanks nachverdichtet. Danach kann dann im zweiten Takt das Betanken der Fahrzeuge erfolgen. Auch hier gilt die im ersten Takt erforderliche Druckerhöhung auf den vollen Befülldruck des Gastanks nur dann, wenn der nach- geschaltete Verdichter nur aus einer Einheit besteht. Handelt es sich hierbei jedoch um eine Verdichtergruppe, bei der der Ausfall einer Einheit abzusichern ist, so ist im ersten Takt der Druck im Gasvolumen nur soweit anzuheben, daß der so erhöhte Vordruck ausreicht, damit die verbliebenen Verdichter die geforderte Taktzeit sicherstellen können. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung einer Gasspeicher-Gruppe hinter einem nachgeschalteten Verdichter besteht darin, daß die zu installierende Verdichterleistung in Folge zeitlicher Streckung der zu erbringenden Verdichterarbeit niedriger ausgelegt werden kann.

Sämtliche zuvor beschriebenen Ausführungsformen können als Module betrachtet werden. Als solche können diese Module beliebig mit anderen oder gleichen Modulen oder mit Einzelelementen, wie beispielsweise passiven oder dynamischen Gasspeichern, Verdichtern etc., kombiniert werden. Insbesondere können sämtliche zuvor angeführten Ausführungsformen mit einem nachgeschalteten Verdichter oder mit einem oder mehreren nachgeschalteten Gasspeichern, insbesondere dynamischen Gasspeichern, kombiniert werden.

Bei sämtlichen Ausführungsformen wird die Steuerung des Gasspeichers in geeigneter Weise vorgenommen, beispielsweise mittels einer elektronischen, programmierbaren Steuerung, die über den erforderlichen Zugriff auf die Elemente der Anlage verfügt.

Diese Steuerung stellt auch die Kommunikation mit der Steuerung der Zapfsäule und der des vorgeschalteten Verdichters sicher. Der nachgeschaltete Verdichter wird vorzugsweise über die Steuerung der Zapfsäule bzw. eine zentrale Steuereinheit gesteuert.

Vorzugsweise wird bei Verringerung des Druckflüssigkeitsvolumens die darin enthaltene Druckflüssigkeit in einen entsprechenden Behälter entleert und entspannt sich dabei auf den Atmosphärendruck. Zur Vergrößerung des Druckflüssigkeitsvolumens wird entsprechend Druckflüssigkeit aus dem Behälter entnommen und von der Einrichtung beim Einpumpen in das Druckflüssigkeitsvolumen auf das Druckniveau im dynamischen Gasspeicher gebracht. Um auch die in der Hydraulikflüssigkeit enthaltene Energie auszunutzen, kann bei sämtlichen Ausfuhrungsformen ein dynamischer Gasspeicher mit einem konventionellen Hydraulikspeicher, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist, kombiniert werden.

Hierzu wird die von dem Druckflüssigkeitsvolumen des dynamischen Gasspeichers beim Wiederauffüllen des Gasvolumens abgegebene Druckflüssigkeit in das Druck- flüssigkeitsvolumen des Hydraulikspeichers unter gleichzeitiger Kompression eines Gasvolumens des Hydraulikspeichers geleitet. Umgekehrt wird das komprimierte Gas im Hydraulikspeicher als Energiequelle genutzt, um bei der Betankung des Gastanks Druckflüssigkeit aus dem Druckflüssigkeitsvolumen des Hydraulikspeichers in das Druckflüssigkeitsvolumen des dynamischen Speichers zu fördern, um so daß Gasvolumen des dynamischen Gasspeichers zu verkleinern.

Nachfolgend wird die Erfindung in beispielhafter Weise und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen : Fig. 1 eine erste Ausführungsform der Erfindung ohne (Fig. 1A) und mit (Fig.

1B) nachgeschaltetem Verdichter darstellt ; Fig. 2A eine weitere Ausfuhrungsform mit einem passiven und einem dynamischen Gasspeicher darstellt ; Fig. 2B eine weitere Ausfiihmngsform mit einem passiven und einem dynamischen Gasspeicher darstellt, wobei der passive Gasspeicher auch als dynamischer Gasspeicher betreibbar ist ; Fig. 3A eine weitere Ausführungsform der Erfindung in einer normalen Be- triebsweise mit dynamischen und passiven Gasspeicher darstellt ; Fig. 3B die Ausführungsform gemäß Fig. 3A in einer weiteren Betriebsweise darstellt, wobei der passive in einen dynamischen Gasspeicher geändert wurde ; Fig. 4 die Parallelschaltung von mehreren dynamischen Gasspeichern zu einer Kaskade bzw. einem Aggregat darstellt ; Fig. 5 die Hintereinanderschaltung von mehreren solchen Kaskaden gemäß Fig.

4 darstellt ; Fig. 6 drei Beispiele für Gaszapfanlagen aus dem Stand der Technik darstellt ; und Fig. 7 die Kombination eines dynamischen Gasspeichers und eines hydraulischen Gasspeichers gemäß der Erfindung zur Speicherung der Energie der Druckflüssigkeit darstellt.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. gleichwirkende Teile bzw. Elemente. Es sei darauf hingewiesen, daß es sich bei den Figuren nur um Sche- mazeichnungen handelt, in die nur die wesentlichsten Ventile und Elemente eingezeichnet sind.

Figur 1A zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung. Das Gas wird der Gasquelle 1, beispielsweise einer Gasleitung oder einem mobilen Gasbehälter, entnommen, über den Verdichter 2 verdichtet und in das Gasvolumen 3g des dynamischen Gasspeichers 3 überführt. Neben dem Gasvolumen 3g umfaßt der dynamische Gasspeicher außerdem ein Druckflüssigkeitsvolumen 3ö, das über einen Kolben, über eine Membran oder dergleichen vom Gasvolumen 3g getrennt ist. Durch Verschieben des Kolbens bzw. Verformung der Membran kann das Gasvolumen 3g und das Druckflüssigkeitsvolumen 3o stufenlos geändert werden. Die Summe aus den beiden Volumina ist dabei konstant. Zum Befüllen strömt in einem ersten Takt Druckflüssigkeit über das Absperrventil 9 in ein Druckflüssigkeitsreservoir 4. Das Gasvolumen 3g erreicht so seine maximale Größe.

In einem zweiten Takt wird anschließend das Absperrventil 9 geschlossen und das Gasvolumen 3g über den Verdichter 2 mit Gas gefüllt, bis der maximale Betriebsdruck im dynamischen Gasspeicher 3 erreicht ist.

Zum Betanken des Gastanks, beispielsweise eines Fahrzeuges, wird das Ventil 5 bzw. ein Ventil der Abgabeeinrichtung bzw. Zapfsäule 6 geöffnet und die Verbindung zwischen dem Gasvolumen 3g und dem Gastank 7 freigegeben. Dann strömt verdichtetes Gas über die Abgabeeinrichtung 6 in den Gastank 7 ein. Über die Hydraulikpumpe 4 wird gleichzeitig Druckflüssigkeit bzw. Hydrauliköl in das Druckflüssigkeitsvolumen 3o des dynamischen Gasspeichers 3 gepumpt. Die Leistung der Hydraulikpumpe 4 wird so geregelt, daß der Druck im Gasvolumen 3g im wesentlichen konstant bleibt. Somit entspricht das Volumen an Druckflüssigkeit, die dem Druckflüssigkeitsvolumen 3ö zugeführt wird, dem Volumen des bei dem vorgegebenen Druck an den Gastank abgegebenen Gases.

Das Gasvolumen 3g kann bis auf einen Minimalwert geleert werden, um den Gastank 7 eines Fahrzeuges zu befüllen. Nach Erreichen des Minimalwerts unterbricht die Steuerung die Verbindung mit dem Gastank 7. Das Ventil 9 wird wiederum geöffnet, so daß die Hydraulikflüssigkeit aufgrund eines Restes an komprimiertem Gas in dem Gasvolumen 3g oder aufgrund des aus dem Verdichter 2 nachströmenden Gases aus dem Druckflüssigkeitsvolumen 3o des Gasspeichers herausgepreßt wird. Nach Erreichen des maximalen Gasvolumens steht der dynamische Gasspeicher 3 für einen erneuten Betankungsvorgang zur Verfügung. Falls der Verdichter 2 das Gas nicht auf den im Gastank 7 zu erzielenden Betriebsdruck verdichtet, wird das Gas im Gasvolumen 3g vor dem erneuten Betankungsvorgang durch Vergrößerung des Druckflüssigkeitsvolumens 3o auf den Betriebssdruck komprimiert.

Fig. 1B zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der dem dynamischen Gasspeicher 3 ein weiterer Verdichter 11 nachgeschaltet ist, um das Gas aus dem Gasvolumen 3g auf den zu erzielenden Betriebsdruck im Gastank zu verdichten. Weil aufgrund der Hy- draulikpumpe 4 der Gasvordruck des Verdichters 11 konstant gehalten wird, ist die durch den Verdichter 11 geförderte Gasmenge pro Zeiteinheit im wesentlichen konstant. Der Druck im dynamischen Gasspeicher ist entsprechend niedriger als der Betriebsdruck im Gastank Fig. 2A zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die einen passiven Gas- speicher 17, d. h. einen Gasspeicher mit konstantem Gasvolumen, und einen dynamischen Gasspeicher 3 umfaßt. Bei dem passiven Gasspeicher handelt es sich um einen 1-Bank- Gasspeicher oder Mehr-Bank-Gasspeicher. Die Abgabe von verdichtetem Gas aus dem Gasvolumen 3g des dynamischen Gasspeichers 3 erfolgt in der Art und Weise wie bei den Ausffihrungsformen gemäß Fig. 1.

Das Zusammenwirken zwischen dem passiven Gasspeicher 17 und dem dynamischen Gasspeicher 3 geschieht wie folgt : solange der Gasdruck im Gasspeicher 17 größer oder gleich ist als der zum Befüllen des Gastanks 7 im Gasvolumen 3g des Gasspeichers 3 erforderliche Gasdruck, wird zum Befüllen des Gasvolumens 3g das Ventil 12 geöffnet.

Wenn das Volumen 3g den Sollwert bezüglich Gasmenge und/oder Druck erreicht hat, wird das Ventil 12 geschlossen. Anschließend kann der Gastank 7 von Fahrzeugen aus dem Gasvolumen 3g in der oben beschriebenen Art und Weise betankt werden. Der Betriebsdruck wird über die Leistung der Hydraulikpumpe 4 eingeregelt.

Wenn der Gasdruck im passiven Gasspeicher 17 kleiner ist als der zum Befüllen des Gastanks 7 im Gasvolumen 3g erforderliche Druck, so ist nach Schließen des Ventils 12 ein Anheben des Gasdrucks im Gasvolumen 3g auf den erforderlichen Druck, d. h. auf den Befüllungsdruck des Gastanks, nötig. Dies geschieht dadurch, daß über die Hydrau- likpumpe 4 solange Druckflüssigkeit bzw. Hydrauliköl in das Druckflüssigkeitsvolumen 3o gepumpt und damit dieses Volumen vergrößert wird, bis durch die entsprechende Reduzierung des Gasvolumens der Gasdruck auf den erforderlichen Druck angehoben wurde.

Bei der Konfiguration gemäß Fig. 2A ist dies der Befüllungsdruck des Gastanks 7. Falls dem dynamischen Gasspeicher 3 hingegen ein weiterer Verdichter nachgeschaltet ist, kann der erforderliche Druck kleiner gewählt werden, entsprechend einem geeigneten Vordruck des Verdichters. Anschließend kann das Betanken von Fahrzeugen beginnen.

Figur 2B zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der dem dynamischen Gasspeicher 3 ein weiterer Gasspeicher vorgeschaltet ist. Im Normalbetrieb ist die Funktionsweise des Gasspeichers 13 entsprechend der Funktionsweise des passiven Gasspeichers 17 in Figur 2A. Die Funktion des Gasspeichers 3 ist entsprechend der Beschreibung zu Figur 1A.

Bei Ausfall des Verdichters 2 wird der Gasspeicher 13 als dynamischer Gasspeicher betrieben, um die Funktion des ausgefallenen Verdichters 2 ganz oder teilweise zu übernehmen. Hierzu wird in einem ersten Takt überprüft, ob die im Gasvolumen 13g enthaltene Gasmenge den Druck aufweist, den der Verdichter 2 im Normalfall liefert und der vom Gasspeicher 3 erwartet wird. Ist dies nicht der Fall, so wird über die Hydraulikanlage durch Einpumpen von Druckflüssigkeit in das Druckflüssigkeitsvolumen 13ö dieses vergrößert und durch entsprechende Verkleinerung des Gasvolumens 13g der erforderliche Gasdruck aufgebaut. Ist dies geschehen, so kann der Verdichter-Zyklus beginnen Auf Anforderung durch den Gasspeicher 3 wird das Ventil 12 geöffnet und Gas aus dem Gasvolumen 13g in das Gasvolumen 3g mit Hilfe der Hydraulikanlage 4 übergepumpt.

Anschließend wird Ventil 12 geschlossen und über das Ventil der Hydraulikanlage die Druckflüssigkeit in das Druckflüssigkeitsreservoir entleert. Wenn das Gasvolumen so sein Maximum erreicht hat, wird das Ventil der Hydraulikanlage 4 geschlossen und das Ventil 10 geöffnet. Dadurch strömt Gas aus der Gasquelle in das Gasvolumen 13g. Sobald hier der Druckausgleich erreicht ist, wird das Ventil 10 geschlossen und über die Hydraulikanlage 4 das Gas im Gasvolumen 13 g auf den erforderlichen Druck verdichtet.

Anschließend kann so der nächste Verdichterzyklus beginnen.

Fig. 3 zeigt zwei Betriebsweisen einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. In den Figuren bezeichnen gestrichelte Linien in der jeweiligen Betriebsweise nicht aktive Elemente bzw. Verbindungen.

In der in Figur 3A dargestellten normalen Betriebsweise arbeitet der erste Gasspeicher 3 als dynamischer Gasspeicher, mit einem Druck von beispielsweise 160 bar, und der zweite Gasspeicher 13 als passiver Gasspeicher, d. h. als Gasspeicher mit konstantem Gasvolumen 13g. Das Gasvolumen 3g wird in der oben beschriebenen Weise solange befüllt, bis das Maximalvolumen und ein Gasdruck von beispielsweise 160 bar erreicht ist. Außerdem wird in den Pausen zwischen zwei Betankungsvorgängen das Gasvolumen 13g entsprechend dem vom Verdichter 16 geführten Druck, beispielsweise auf 200 bar, befüllt. Zu Beginn eines Betankungsvorgangs arbeitet das Gasvolumen 13g als 1-Bank- System und gibt über eine dann geöffnete Verbindungsleitung aufgrund des Druckgefalles zwischen den beiden Gasvolumina Gas in den Gastank 7 ab. Die Befüllung des Gastanks 7 auf den maximalen Befüllungsdruck erfolgt in der oben beschriebenen Weise durch Volumenänderung des Gasvolumens 3g bei konstantem Druck und anschließende Nachverdichtung mit Hilfe des Verdichters 16.

Für den Fall, daß beispielsweise der Verdichter 16 ausfällt oder abgeschaltet wird, kann der Verdichter 16 über die Verbindungsleitung 15, wie in Figur 3B dargestellt, überbruckt werden. Hierbei wechselt die Zapfanlage in die in Figur 3B dargestellte Ausfall-Betriebsweise, bei der das Druckflüssigkeitsvolumen 13ö über die Hydraulik- pumpe 4 mit dem Hydraulikreservoir in Verbindung steht und die gestrichelt dargestellte direkte Verbindung zwischen dem Gasvolumen 13g und dem Gastank 7 unterbrochen ist.

Damit ist der Gasspeicher 13 mit dem Gasspeicher 3 gekoppelt als weitere Kaskade (n).

Die Abläufe für diesen einen dynamischen Gasspeicher sind damit wie folgt : Der Verdichter 2 befüllt aus der Gasquelle 1 das Gasvolumen des Gasspeichers. Ist dieser Befüllvorgang abgeschlossen, verdichtet die Hydraulikanlage 4 das Gas im Gasvolumen auf den Befülldruck des Gastanks 7. Danach kann über die Zapfsäule 6 das Betanken des Gastanks 7 von Fahrzeugen erfolgen.

Figur 4 zeigt die Möglichkeit, statt nur eines dynamischen Gasspeichers-wie bei allen Ausführungsformen zuvor als bevorzugt dargestellt-auch mehrere Gasspeicher geeignet zusammenzuschalten und zum Befüllen des Gastanks von Fahrzeugen wahlweise zu entleeren.

Hierzu wird beispielsweise bei der Grundkonfiguration gemäß Fig. 1A der eine dyna- mische Gasspeicher 3 ersetzt durch die in Figur 4 dargestellte Parallelschaltung mehrerer dynamischer Gasspeicher 3a, 3b,... 3n. Dieses so gebildete Bündel von dynamischen Gasspeichern wird als eine Einheit gesteuert : Von dem Verdichter 2 wird er als Einheit mit verdichtetem Gas befüllt, und zum Betanken von Fahrzeugen wird er über die Hydraulikanlage 4 über die Zapfsäule 6 als Einheit entleert.

Wie in Figur 5 dargestellt, kann die Zapfanlage auch mehrere hintereinander geschaltete Gasspeicherkaskaden 3, 13, 23,... umfassen, die jeweils aus mehreren parallel geschalteten dynamischen Gasspeichern 3a, 3b,... 3n usw. bestehen.

Durch diese Gliederung des Gasspeichers in Kaskaden ist es möglich, die normalerweise nacheinander ablaufenden Arbeitstakte-wie z. B. Befüllen mit verdichtetem Gas, Betanken von Fahrzeugen und dem damit verbundenen Vergrößern des Druck- flüssigkeitsvolumens durch Einfüllen von Hydraulikflüssigkeit und schließlich das Entleeren der Hydraulikflüssigkeit in das Hydraulikreservoir mit entsprechender Vergrößerung des Gasvolumens-nun parallel ablaufen zu lassen. Beispielsweise wir die Kaskade 3 zu einem bestimmten Zeitpunkt für das Betanken von Fahrzeugen genutzt, während gleichzeitig die Kaskade 13 vom Verdichter 2 mit verdichtetem Gas befüllt und gleichzeitig die Kaskade 23 von der Druckflüssigkeit entleert wird. Bei den in den Figuren 4 und 5 dargestellten Gasspeicherkaskaden kann es sich auch um mobile Einheiten handeln, beispielsweise zum Anliefern von verdichtetem aufbereitetem Biogas oder von Wasserstoff, die von einem Fahrzeug, beispielsweise einem Tieflader, angeliefert und an die Zapfanlage angeschlossen werden.

Um die in der Hydraulikflüssigkeit enthaltene Energie bestmöglich auszunutzen, können bei allen zuvor beschriebenen Ausführungsformen ein oder mehrere dynamische Gasspeicher mit einem konventionellen Hydraulikspeicher zum Speichern von Druckflüssigkeit bzw. Hydrauliköl kombiniert werden, wie in Fig. 7 dargestellt.

Gemäß dieser Ausführungsform ist dann, wenn der Verdichter 2 das Gasvolumen 3g wieder auf den Solldruck, beispielsweise auf 230 bar, gebracht hat, sowohl im dyna- mischen Gasspeicher 3 als auch im Hydraulikspeicher 20 der Druck identisch 230 bar, und zwar sowohl in den Gasvolumina 3g und 20g als auch in den Druckflüssigkeits- volumina 3o und 20O. Sobald der dynamische Gasspeicher zum Betanken Gas aus dem Gasvolumen 3 g abgibt, wird über die Hydraulikpumpe 4 Druckflüssigkeit von 20ö nach 3o gepumpt. Hierbei bleibt bestimmungsgemäß der Druck im dynamischen Gasspeicher konstant bzw. im wesentlichen konstant 230 bar, während er im Hydraulikspeicher 20 parallel zur Abgabe von Gas aus dem Gasvolumen 3g abnimmt. Damit ist die von der Hydraulikpumpe 4 benötigte Leistung zum Überpumpen von Hydrauliköl aus ZOo nach 3o zu Beginn der Gasabgabe aus 3g sehr gering und erreicht erst ihren Maximalwert, wenn das Gasvolumen 3g sein Minimum erreicht hat. Ist zu diesem Zeitpunkt der Druck im Hydraulikspeicher 20 bis in die Nähe des atmosphärischen Drucks abgebaut, so hat die erforderliche Pumpenleistung erst dann den Wert erreicht, der bei Entnahme des Hydrauliköls aus einem drucklosen Hydraulikölreservoir für die gesamte Entnahme von Gas aus dem Gasvolumen 3g benötigt würde. Beim Umschalten auf Wiederbefüllen des Gasvolumens 3g durch den Verdichter 2 wird das Rücklaufventil der Hydraulikanlage geöffnet. Das in 3o unter einem Druck von 230 bar gespeicherte Hydrauliköl sowie das Wiederauffüllen des Gasvolumens 3g bringen auch den Hydraulikspeicher wieder auf einen Druck von 230 bar, so daß nach Schließen des Rücklaufventils der nächste Tankzyklus beginnen kann. Bei dem im Gasvolumen 20g des Hydraulikspeichers gespeicherten Gas kann es sich um ein beliebiges technisches Gas, beispielsweise Stickstoff, handeln.

Während die Erfindung vorstehend im Zusammenhang mit dem Betanken eines Gastanks mit verdichtetem Erdgas beschrieben wurde, kann sie in gleicher Weise für beliebige andere Gase verwendet werden, beispielsweise zum Betanken mit verdichtetem, aufbereitetem Biogas, Wasserstoff und dergleichen. Bevorzugt wird der Gastank auf einen Druck von etwa 200 bar befüllt, bei einem Fassungsvermögen des Gastanks von beispielsweise 80 1 für Pkw und einigen 100 1 für Busse oder Lkw.