Verfahren und Vorrichtung zur eichfähiqen Erfassung einer Gasmenqe

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Menge an gasförmigem Kraftstoff, welche in einem Betankungsverfahren an einer Tankstelle, über eine Zapfsäule und einen daran angeschlossenen Füllschlauch, in einen Speichertank überführt worden ist wobei in der Zapfsäule der Tankstelle ein Durchflussmessgerät vorgesehen ist, welches während des Befüllens des Speichertanks die abgegebene Menge an Kraftstoff ermittelt und dass nach der Beendigung des Befüllens der Füllschlauch entspannt wird.

Immer mehr Fahrzeughersteller präsentieren Kraftfahrzeuge, welche durch gasförmige Kraftstoffe wie Erdgas, Autogas oder Wasserstoff angetrieben werden. Dazu zählen nicht nur Personenkraftwagen, sondern auch Busse, Lastwagen und Gabelstapler. Parallel zu der wachsenden Anzahl an Fahrzeugen, welche mit komprimierten Gasen betrieben werden, wächst auch die Zahl der Tankstellen, insbesondere die der Wasserstofftankstellen. Die Wasserstofftankstellen werden häufiger von Privatkunden verwendet. Aufgrund der höheren Drücke und niedrigeren Temperaturen des

Wasserstoff im Vergleich zu Erdgas oder Autogas sind insbesondere für die Betankung mit Wasserstoff neue Entwicklungen von Betankungsverfahren und andere

Vorrichtungen notwendig. Um ein kontrolliertes und sicheres Füllen des Speichertanks der Fahrzeuge zu gewährleisten muss die Temperatur und der Druck des Wasserstoffs exakt kontrolliert werden. Dadurch wachsen die Anforderungen an die

Messgenauigkeit der Wasserstofftankstellen bezüglich der Temperatur und des Drucks des abzugebenden Wasserstoffs.

Bestandteile einer Wasserstofftankstelle sind unter anderem eine Speichereinrichtung in welcher der Wasserstoff flüssig und/oder gasförmig gespeichert werden kann. Bevorzugt ist eine flüssige Lagerung, da die Speicherdichte höher ist. Nachteilig daran ist jedoch die geringe Temperatur des flüssigen Wasserstoffs. So wird oft auch ein

Gasspeicher vorgesehen, worin Wasserstoff bei Umgebungstemperatur lagert, jedoch auf einen Druck von bis zu 1000 bar, insbesondere auf bis zu 910 bar, komprimiert ist. Moderne Wasserstofffahrzeuge verfügen bevorzugt über einen Kraftstofftank zur Speicherung von gasförmigem Wasserstoff bei 350 oder 700 bar.

Die Temperatur des Wasserstoffs welcher in den Kraftstofftank eingefüllt wird soll eine Fülltemperatur zwischen -33 bis -40 °C aufweisen. Diese Temperatur ist durch verschiedene Normen und Standardprotokolle vorgegeben.

Dies bedeutet, dass sowohl bei einer flüssigen als auch bei einer gasförmigen Lagerung des Wasserstoffs aufwendige Vorrichtungen zur Konditionierung des Wasserstoffs vorgehalten werden müssen.

Bestandteile einer Wasserstofftankstelle sind deshalb in der Regel zusätzlich mindestens eine Pumpe, insbesondere eine Kryopumpe bei flüssiger Lagerung des Wasserstoffs, mehrere Wärmetauschvorrichtungen, mehrere Druckregelventile insbesondere kryogene Hochdruck-Drosselventile sowie Temperatur-, Druck- und Durchflussregler. Weiterer Bestandteil einer Wasserstofftankstelle ist mindestens eine Zapfsäule, an welcher die Zapfpistole und der entsprechende Füllschlauch für den Kunden zugänglich sind. Die Zapfsäule weist in der Regel zusätzlich elektronische Einrichtungen, insbesondere zur Steuerung der Abgabe und zur Abrechnung des abgetankten, also dem abgegebenen, Wasserstoffs, auf. Wasserstofftankstellen, welche insbesondere für Privatkunden zugänglich sind, unterliegen strengen Auflagen bezüglich der Genauigkeit der Messung der abgegebenen Wasserstoffmenge. Sowohl Kunden als auch Betreiber benötigen genaue Informationen über die abgegebene Wasserstoffmenge.

Die bisher realisierten Wasserstofftankstellen wurden oft als Pilotanlagen konstruiert oder sind nur für einen einzigen Großkunden zugänglich. Ungenauigkeiten während der Befüllung in Temperatur und Menge des abgegeben Wasserstoffs wurden toleriert, Temperatur und Druckwerte wurden oft geschätzt und die Risiken durch die

Berücksichtigung hoher Sicherheitsfaktoren minimiert.

Dies ist jedoch bei stärkerer Verbreitung von Wasserstoff als Treibstoff im

Privatkundenbereich nicht mehr akzeptabel.

Probleme bei der Bestimmung der abgegebenen Wasserstoffmenge entstehen vor allem dadurch, dass die Messvorrichtungen für Durchfluss, Temperatur und Druck in der Zapfsäule einer Wasserstofftankstelle eingerichtet sind. Derzeit wird die abgegebene Wasserstoffmenge in der Regel über Durchflussmessgeräte, beispielsweise über Corioüs-Durchflussmessgeräte ermittelt. Dazu wird über die Steuerung die Betankungsdauer und daraus die in dieser Zeit abgegebene Menge an Wasserstoff ermittelt.

Erfasst wird hierbei auch die Menge an Wasserstoff, welche sich im Füllschlauch zwischen der Zapfsäule und dem Fahrzeugtank befindet und welche aufgrund der Beendigung des Betankungsvorgangs nicht mehr in den Tank überführt wird. In anderen Worten handelt es sich um die Menge an Wasserstoff welche sich stromab des Absperrventils, welches nach Beendigung des Betankungsvorgangs die

Wasserstoffzufuhr unterbricht, noch im Füllschlauch befindet und durch einen

Verschlussmechanismus in einer Betankungskupplung oder Zapfpistole vor einem

Austritt an die Umgebung gehindert wird. Bei dem Füllschlauch handelt es sich, ähnlich wie bei herkömmlichen Tankstellen für flüssigen Kraftstoff, um einen flexiblen Schlauch mit einer Betankungskupplung, wobei insbesondere der Teil des Füllschlauchs, welcher sich innerhalb oder an der Zapfsäule befindet auch als fester Schlauch oder als Rohrleitung ausgebildet sein kann. In dieser Anmeldung wird der Begriff

Füllschlauch stellvertretend für das gesamte Volumen zwischen dem Absperrventil oder Durchflussmessgerät und der Zapfpistole verwendet.

Aufgrund der derzeit realisierbaren Bauform von Durchflussmessgeräten, welche den hohen Drücken und den niedrigeren Temperaturen des Wasserstoffs standhalten können, ist es nicht möglich diese in den Schlauch oder die Betankungskupplung zu integrieren, um den Abstand zwischen Fahrzeugtank und Durchflussmessgerät zu reduzieren.

Die Menge an Wasserstoff, welche nicht mehr in den Fahrzeugtank überführt werden kann, ist bereits von dem Durchflussmessgerät detektiert worden und wird als abgegebene Menge verrechnet.

Nach Beendigung eines Betankungsprozesses schließen der Verschlussmechanismus oder die Abdichtung in der Zapfpistole und das Absperrventil in der Zapfsäule. Dadurch steht der Füllschlauch nach Beendigung des Betankungsprozesses unter hohem Druck. Bevor die Betankungskupplung vom Kraftfahrzeug gelöst werden kann muss der Schlauch deshalb entspannt werden. Dies ist zum einen aus Sicherheitsgründen notwendig, zum anderen auch um die Flexibilität des Füllschlauches wieder herzustellen. Aus Sicherheitsgründen ist das entkoppeln einer unter Druck stehenden Betankungskupplung in der Regel nicht möglich. Ein unter hohem Druck stehender Schlauch verliert seine Flexibilität und ist schwer zu handhaben. Um die Betankung, jedoch so einfach wie möglich zu gestalten muss die Flexibilität des Füllschlauches vor und nach dem Betanken gewährleistet sein, damit vor Start des Befüllprozesses der Schlauch wie gefordert zum Fahrzeug hin ausgerichtet werden kann und mit dem Speichertank verbunden werden kann und damit nach Beendigung des Betankens der Schlauch wieder in die vorgesehen Halterung zurückgeführt werden kann.

Eine exakte Abrechnung, der abgetankten Gasmenge ist unter diesen Umständen nicht möglich, da es immer zu Abweichungen zwischen gemessener und berechneter Gasmenge kommt. Eine Schätzung der entspannten Kraftstoffmenge, bei Annahme einer vollen Betankung, über im Vorfeld festgelegte Temperatur und Druckwerte aus den Betankungsnormen, ist möglich, jedoch ebenfalls ungenau. Sowohl dem Kunden als auch dem Betreiber entstehen dadurch Nachteile. Weiterhin ist eine Eichung der Abrechnungsvorrichtung durch dieses Verfahren nicht mit der vorgeschriebenen Genauigkeit durchführbar.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Verfahren anzugeben, mit dem eine genaue Messung und somit eine genaue Abrechnung des gasförmigen Kraftstoffs erfolgt. Diese Aufgabe wird verfahrensseitig dadurch gelöst, dass die Menge an Kraftstoff ermittelt wird, welche durch das Entspannen nicht in den Speichertank überführt worden ist und dass diese Menge von der Menge, welche das Durchflussmessgerät ermittelt hat, abgezogen wird. Vorrichtungsseitig umfasst die Vorrichtung zur Bestimmung einer abgegebenen Menge an gasförmigem Kraftstoff, während eines Betankungsverfahren an einer Tankstelle, installiert in einer Zapfsäule und in Verbindung mit einem daran angeschlossenem Füllschlauch, zur Lösung der Aufgabe ein Durchflussmessgerät, an welches der Füllschlauch anschließt und eine von dem Füllschlauch abzweigende Rohrleitung mit einem Entspannungsventil.

Bevorzugt wird die Menge an Kraftstoff, in dem Füllschlauch, welche nicht in den Speichertank überführt wurde, dadurch ermittelt, dass nach Beendigung des

Betankungsverfahrens und vor dem Entspannen je ein Temperaturwert und ein Druck im Füllschlauch ermittelt werden, um eine Dichte des Wasserstoffs im Füllschlauch zu ermitteln und dass das Volumen des Füllschlauch bekannt ist und dass dadurch die abgegebene Menge an Kraftstoff, welche nach Beendigung des Befüllens im

Füllschlauch verblieben ist, ermittelt wird. Die Dichte des entspannten gasförmigen Kraftstoffs p _e wird insbesondere über eine dem Fachmann bekannte Zustandsgieichung berechnet. Die dazu nötigen Parameter Temperatur und Druck werden nach Beendigung des Befüllens und vor dem

Entspannen des Füllschlauchs ermittelt.

Über die Formel: M _e = p _e ^■ V _e wird die Menge an gasförmigem Kraftstoff _e berechnet welche entspannt wurde. Das Volumen V _e des entspannten Füllschlauches ist bekannt. Das Volumen des Füllschlauchs, also der gesamte zugängliche Bereich zwischen dem Absperrventil oder Durchflussmessgerät, je nach späterer Positionierung stromab, und der Zapfpistole, umfasst bevorzugt zwischen 0,2 und 1 Liter.

Die Masse an gasförmigen Kraftstoff, welche sich noch im Füllschlauch befindet ist abhängig von der Rohrleitungsgeometrie, dem Druck und der Temperatur und kann zwischen 0,1 und 100 g, insbesondere jedoch zwischen 1 und 25 g betragen. Diese Masse wird bei der Entspannung vorteilhafterweise über einen Kamin an die

Umgebung abgegeben oder in einem separaten Behälter gesammelt. In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung wird die Menge an Kraftstoff in dem

Füllschlauch, welche nicht in den Speichertank überführt wurde dadurch ermittelt, dass nach Beendigung des Betankungsverfahrens und vor dem Entspannen ein

Temperaturwert im Füllschlauch ermittelt wird und ein voreingestellter Druckwert verwendet wird, um eine Dichte des Kraftstoffs im Füllschlauch zu ermitteln und dass das Volumen des Füllschlauch bekannt ist und dass dadurch die abgegebene Menge an Kraftstoff, welche nach Beendigung des Befüllens im Füllschlauch verblieben ist, ermittelt wird. Bei dem voreingestellten Druckwert handelt es sich bevorzugt um den maximal Druck des Fahrzeugtanks. Bei dieser Berechnung wird die Annahme getroffen, dass der Speichertank immer voll befüllt wird. Die Abweichungen können deshalb gering ausfallen und je nach Eichmethode tolerierbar sein.

In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung wird die Menge an Kraftstoff in dem Füllschlauch, welche nicht in den Speichertank überführt wurde dadurch ermittelt, dass nach Beendigung des Betankungsverfahrens und vor dem Entspannen ein Druckwert im Füllschlauch ermittelt wird und ein voreingestellter Temperaturwert verwendet wird, um eine Dichte des Kraftstoffs im Füllschlauch zu ermitteln und dass das Volumen des Füllschlauch bekannt ist und dass dadurch die abgegebene Menge an Kraftstoff, welche nach Beendigung des Befüllens im Füllschlauch verblieben ist, ermittelt wird. Da bevorzugt nach einer Standardisierten Betankungsmethode betankt wird, ist ein enger Temperaturbereich für den Kraftstoff vorgesehen. Deshalb ist es in einer derartigen Ausgestaltung möglich einen Temperaturwert, welcher innerhalb dieses Temperaturbereichs liegt als festgelegten Temperaturwert heranzuziehen. Ja nach vorgesehener Eichgenauigkeit kann die dadurch erfolgte Abweichung toleriert werden. Bei dem gasförmigen Kraftstoff handelt es sich bevorzugt um Wasserstoff. In anderer Ausgestaltung der Erfindung wäre jedoch auch die Anwendung bei Erdgas, Autogas oder anderen Gasen möglich.

Vorteilhafterweise handelt es sich bei dem Durchflussmessgerät um ein Coriolis- Durchflussmessgerät oder um ein Differenzdruck-Durchflussmessgerät. Je nach

Messprinzip des verwendeten Durchflussmessgerätes wird ein Massenstrom detektiert oder ein Impuls erfasst.

In einem bevorzugten Verfahren und einer bevorzugten Vorrichtung sind im oder am Füllschlauch Sensoren vorgesehen, die einen Temperaturwert und einen Druckwert ermitteln.

Bevorzugt liegt der Druck während des Befüllens im Füllschlauch zwischen 0 und 875 bar und insbesondere zwischen 350 und 810 bar. Nach der Entspannung liegt der Druck im Füllschlauch zwischen 0 und 2 bar.

Alle Vorrichtungsbestandteile sowie die Regelungs- und Abrechnungseinheiten können insbesondere so ausgestaltet sein, dass sie manipulationsgeschützt sind. Dadurch wird vermieden, dass von außen die Steuerung der Tankstelle oder die Abrechnung ungewollt manipuliert werden kann.

Die Vorteile der Erfindung liegen darin, dass dem Kunden eine exakte Menge an Wasserstoff berechnet werden kann. Der Betreiber der Tankstelle hat zudem eine genaue Auskunft darüber, wie viel Wasserstoff abgetankt wurde und wie viel Verlust an Wasserstoff durch das Entspannen entstanden ist. Durch das angegebene Verfahren ist zudem eine regelkonforme Eichung der

Tankstelle möglich, da die gemessene Wasserstoffmenge mit der zu bezahlenden Wasserstoffmenge übereinstimmt. Durch das erfindungsmäße Verfahren kann die Eichung insbesondere auch für unterschiedliche Mengen durchgeführt werden. Dies ist von besonderer Bedeutung, wenn vor dem Betanken der Empfängertank noch teilweise gefüllt war oder keine vollständige Befüllung erfolgt.

In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann das Ventil, welches zum Entspannen des Füllschlauchs verwendet wird in Strömungsrichtung vor dem

Durchflussmessgerät platziert sein. Wird der Füllschlauch nach dem Betanken entspannt strömt das Gas durch das Durchflussmessgerät zurück. So kann in dieser besonderen Ausgestaltung die zurückströmende Menge detektiert werden und von der zuvor gemessenen Menge abgezogen werden. Vorteilhafterweise sind das

Absperrventil, das Entspannungsventil und das Durchflussmessgerät in möglichst kurzem Abstand voneinander angebracht um die Menge an nicht gemessenem Wasserstoff weitestgehend zu minimieren.

In einer Weiterverfolgung des Erfindungsgedankens ist es zudem möglich in einer alternativen Ausgestaltung einen Durchflussmesser in die Abgasleitung zu integrieren. Danach wird die entspannte Menge über diesen Durchflussmesser bestimmt und von der Menge des Durchflussmessers vor dem Füllschlauch abgezogen.

Aufgrund der hohen Kosten für Durchflussmesser und der geringen Wirtschaftlichkeit von Wasserstofftankstellen ist dies jedoch bisher noch nicht ökonomisch genug. Im Folgenden soll die Erfindung anhand der in Figur 1 und Figur 2 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.

Fig 1 .: Schematischer Aufbau einer Zapfsäule für gasförmigen Kraftstoff mit einem Entspannungsventil.

Fig 2.: Alternativer schematischer Aufbau einer Zapfsäule für gasförmigen Kraftstoff.

Figur 1 zeigt schematisch die wichtigsten Bestandteile einer Zapfsäule einer Tankstelle für gasförmigen Kraftstoff. Der Kraftstoff wird über Rohr 1 von einer nicht dargestellten Pumpe und/oder aus einem Speichertank zur Zapfsäule 3 geführt. Das Rohr 1 ist entsprechend mit der Isolierung 2 versehen. Die Isolierung 2 dient dazu den Kraftstoff auf der gewünschten Temperatur zu halten. Die Temperierung erfolgt über dem Fachmann bekannte Verfahren und kann je nach Verfahren an unterschiedlicher stelle in der Tankstelle erfolgen. In der Zapfsäule 3 ist das Absperrventil 5 an der Rohrleitung 1 angebracht. Das Absperrventil 5 ist in der abgebildeten Variante der Erfindung als Druckregler ausgestaltet. Stromab des Absperrventil 5 folgt ein Durchflussmessgerät F und weiter stromab eine Abzweigung mit einem Entspannungsventil 6. Der

Füllschlauch 4 ist innerhalb der Zapfsäule als stabiles Rohr ausgestaltet und außerhalb der Zapfsäule als flexibler Schlauch und er umfasst eine nicht dargestellt

Betankungskupplung. Die Abstände zwischen dem Absperrventil 5, dem

Durchflussmessgerät F und dem Entspannungsventil 6 sind so eng wie möglich zu wählen.

Zum Betanken wird der Füllschlauch 4 über eine Betankungskupplung mit einem Empfängertank, also in der Regel mit einem Fahrzeugtank verbunden. Das

Absperrventil 5 wird geöffnet und gasförmiger Kraftstoff über das Durchflussmessgerät F in den Empfängertank geleitet. Das Durchflussmessgerät F detektiert hierbei die abgetankte Menge an Kraftstoff. Das Entspannungsventil 6 ist geschlossen. Nach Beendigung des Betankungsvorgangs wird das Absperrventil 5 geschlossen. Auch am Empfängertank wird ein Absperrventil geschlossen, um einen Austritt bereits getankten Gases aus dem Tank zu verhindern.

Anschließend wird die Temperatur und der Druck im Füllschlauch bestimmt und so eine Dichte berechnet über die die Menge an Kraftstoff berechnet werden kann. Nach der Temperatur und Druckmessung wird das Entspannungsventil 6 geöffnet. Die berechnete Menge wird von der durch das Durchflussmessgerät ermittelten Menge abgezogen. Die korrigierte Menge wird abgerechnet. So ergibt sich sowohl für den Kunden als auch für den Betreiber ein genauer Wert für den abgetankten Kraftstoff.

Figur 2 stellt eine alternative Ausgestaltung dar. Die Komponenten sind im

Wesentlichen die gleichen und werden deshalb nicht erneut beschrieben. Der Unterschied zu dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel liegt darin, dass stromab des Absperrventils 5 direkt die Abzweigung mit dem Entspannungsventil 6 folgt und dann erst das Durchflussmessgerät F. Wird deshalb nach dem Betanken das Entspannungsventil 6 geöffnet strömt der noch im Füllschlauch vorhandene Kraftstoff durch das Durchflussmessgerät F zurück. Die zurückströmende Menge wird je nach Typ des Durchflussmessgerätes direkt von der zuvor detektierten Menge abgezogen oder separat detektiert und rechnerisch abgezogen. Auch mit diesem Ausführungsbeispiel wird nur die tatsächlich abgetankte Menge an Kraftstoff berechnet.

Liste der Bezuqszeichen:

1 Rohr für Kraftstoff

2 Isolierung

3 Zapfsäule

4 Füllschlauch

5 Absperrventil

6 Entspannungsventil

F Durchflussmessgerät