NGV Technik

Was ist NGV ?

Mit NGV (oder in Frankreich GNV) bezeichnet man Erdgasfahrzeuge (Natural Gas Vehicles). NGV-Anlagen sind also Erdgas-Tankstellen und NGV-Fahrzeuge sind PKW’s bzw. Busse/LKW’s die mit Erdgas betrieben werden. Genauer bezeichnet es eigentlich das Gas Methan welches der Hauptbestandteil von Erdgas ist. Methan muss jedoch nicht aus einer nicht regenerierbaren Quelle kommen. In der Schweiz wird in das Gasversorgungsnetz Biogas eingespiesen, welches zumeist durch Vergärung von Grünabfällen gewonnen wird. Dabei hat sich die Schweizer Gasindustrie in einer Rahmenvereinbarung verpflichtet mindestens 10% des Vertankten Erdgases durch Biogas zu ersetzen. Im Jahr 2010 lag der Biogasanteil sogar bei 20%.

Heute wird im allgemeinen Sprachgebrauch nur noch vom CNG gesprochen (compressed natural gas / komprimiertes Erdgas). NGV ist eigentlich ein Überbegriff welcher auch LNG (liquified natural gas / verflüssigtes Erdgas) mit einschliessen würde. Da LNG als Treibstoff aber noch eine Kleine Rolle  spielt ist auf diesen Seiten nur der CNG Teil gemeint. Ich werde mich nun nach über 10Jahren auch nicht mehr umgewöhnen und diesen Begriff NGV für meine Seiten beibehalten.

Was macht NGV so interessant ?

Allein die chemische Formel CH4 für Methan (Hauptbestandteil von Erdgas) erklärt da schon einiges, im Methan kommen also auf ein Kohlenstoff-Atom vier Wasserstoff-Atome, die wie man weiss, bei der Verbrennung mit Sauerstoff als Reaktionsprodukt H2O (Wasser) ergeben. Noch Interessanter wird die Sache wenn das Methan nicht vom Erdgas sondern von Müll (Biomüll) geliefert wird, in diesem Fall kommt auch das Kohlenstoff-Atom nicht „unnatürlich“ (zusätzlich) in die Umwelt, da das sogenannte Biogas oder Kompogas, dann nur soviel Kohlenstoff enthält, wie die Pflanzen zuvor der Umwelt entnommen haben, zudem ist diese Energieform regenerierbar.

Kurze Rede langer Sinn:
Die Umwelt belastenden Schadstoffe sind beim Treibstoff Erdgas erheblich geringer als bei Benzin oder Diesel.

Wie bekommt man ein Gas in ein Fahrzeug ?

Würde die Frage lauten „Wie bekommt man eine Flüssigkeit in ein Fahrzeug?“, müsste wohl niemand lange nachdenken. Man nehme irgendeinen wasserdichten Behälter gefüllt mit dem Treibstoff und schütte die Flüssigkeit mittels eines Schlauches ins Fahrzeug.
Nun ist aber der NGV-Treibstoff nicht flüssig sondern gasförmig und schon stehen wir vor einem Problem. Das Gas muss mit Druck ins Fahrzeug gepresst werden. Dazu wird ein Kompressor verwendet der das Gas entweder direkt in den Fahrzeugtank (Speicher) pumpt oder der Kompressor füllt Zwischenspeicher und mit einer Gaszapfsäule wird das Gas danach in den Fahrzeugspeicher „umgefüllt“.

Für das direkte Betanken gibt es richtige kleine Heimtankstellen, am Abend wenn man nach Hause kommt wird das Fahrzeug an diesen Kleinkompressor angeschlossen und über Nacht wird der Tank gefüllt. Die Marke FuelMaker ist dafür weltweit zu einem Begriff geworden.



Dieses Bild zeigt einen FuelMaker wie er momentan in Europa über 1000mal installiert ist. Er kann als kleinst Tankstelle bezeichnet werden. Der FuelMaker enthält eine Elektronik die den Füllvorgang überwacht und steuert, der Amerikaner würde sagen „easy to use“. Alles was man zu machen braucht, ist das Fahrzeug anzuschliessen und den Startknopf zu betätigen, den Rest macht der FuelMaker.

Falls plötzlich jemand auf die Idee kommen sollte sich so ein Ding in seiner Garage zu Installieren kann dies zwar tun, sollte sich aber zuvor ein Gas-Fahrzeug beschaffen und vor allem das nötige Kleingeld zur Beschaffung bereithalten. Der Preis bewegt sich um die 8000.– CHF, nicht gerade viel wenn jemand seine eigene Tankstelle im Garten will.

Nur ein Kompressor ?

Ein Kompressor um das Gas ins Fahrzeug zu bekommen, ist das alles?

Fast! Jetzt das von allen erwartete ABER:

Wie beim FuelMaker bereits angedeutet, muss die Befüllung überwacht werden. Wenn ich versuche meinen PKW bis zum Rand zu füllen und dabei, wie wir in der Schweiz sagen, ein „gutsch“ (eine kleine Menge) daneben geht, ist dies zwar unangenehm für den Lack und meine Hosen, weiter Konsequenzen hat dies jedoch nicht (ich bin noch ledig!).

Was aber geschieht wenn ich in einen Luftballon weiter Luft rein blase obwohl er schon prall gefüllt ist? (Ahaaaa!!)

Nun ist es ein Unterschied ob mir ein Luftballon oder eine Stahlflasche um die Ohren fliegt. (bitte weiter lesen =>) Um gleich alle Befürchtungen aus dem Feld zu räumen, selbstverständlich kann mir die Stahlflasche nicht um die Ohren fliegen, da sie mit sogenannten Berstscheiben oder mit Sicherheitsventilen ausgerüstet ist, die den Druck noch weit unter dem Berstdruck (Druck bei dem die Flasche platzen würde) in die Atmosphäre entlasten. Der Druck bei dem dies passieren würde, ist aber um ein vielfaches höher als der erlaubte Fülldruck auch im Fehlerfall, somit ist sichergestellt, dass dies hoffentlich nie passieren wird.

Dennoch es sind sehr strenge Vorschriften bezüglich der Befüllung einzuhalten. Ich will zwar niemanden langweilen, aber ein paar Zahlen locker eingeschoben schaden niemandem. Die Vorschrift zur Befüllung von NGV-Fahrzeugen sagt aus, dass bei einer Temperatur von 15°C der Druck im Speicher 200bar nicht überschreiten darf.

Was um himmelswillen hat das mit der Temperatur zu tun ?
Sehr viel, tanken Sie ihr Fahrzeug (Benzin) mal Randvoll und stellen Sie es danach in die pralle Sonne, der Tank wird überlaufen und wenn Sie daneben stehen bekommen Sie nasse Hosen (ich hoffe Sie sind ebenfalls Ledig), womit wir wieder beim Luftballon sind.

Physik sei dank wissen wir wie sich sich Erdgas mit zunehmender Erwärmung in einem Behälter verhält.
Bei einem Temperaturanstieg von 1°C erhöht sich der Druck im Behälter um ca. 1,5bar.

Nun noch ein bisschen Rechnen:
Sie tanken ihr NGV-Fahrzeug bei 15°C Aussentemperatur auf die besagten 200bar, stellen das Fahrzeug wieder in die pralle Sonne, die Temperatur im Speicher steigt auf 45°C wie hoch ist danach der Druck im Speicher ?

Genau, Sie haben recht => 245bar

Die Betankung muss also Temperaturkompensiert erfolgen, um zu gewährleisten, dass der Druck im Speicher auch in ungünstigen fällen nie zu hoch werden kann. Aus diesem Grund kommen Zapfsäulen zum Einsatz die diese Überwachungsfunktionen beinhalten.

Die Anlage

Man unterscheidet Grundsätzlich zwei Anlagentypen und zwar die Fastfill- und die Slowfill-Anlagen. Bei den Fastfill-Anlagen handelt es sich um Anlagen mit einem Speicher, die es erlauben Fahrzeuge innerhalb kürzester Zeit zu betanken. Slowfill-Anlagen dagegen haben keinen Speicher und das Fahrzeug wird direkt mit dem Kompressor betankt. Heute werden praktisch keine Slowfill-Anlagen mehr installiert, da der Zeitfaktor zur Betankung des Fahrzeuges einen immer wichtigeren Stellenwert einnimmt. Eine Ausnahme bilden da die FuelMaker, sie sind konzipiert um ein Fahrzeug über Nacht zu füllen, aber selbst bei diesen „Kleinsttankstellen“ werden immer häufiger Speicher installiert.

Die Anlagen werden den Flottengrössen entsprechend ausgelegt. So wird ein Unternehmen mit 100 Gasfahrzeugen sicherlich eine grössere Anlage benötigen, als ein Unternehmen mit 10 Gasfahrzeugen. Die Anlagengrösse wird durch die Fördermenge des Kompressors und das Speichervolumen unterschieden, wobei die Speichergrösse und Fördermenge so ausgelegt sein müssen, dass der Kompressor weder zu lange noch zu kurz läuft. Diese Auslegungsarbeit ist das eigentliche Know-How und wird wesentlich durch die Erfahrung des Herstellers bestimmt.

Für kleinere Flotten gibt es, wie von mir oben gefordert, standardisierte Anlagen von verschiedenen Herstellern. Die Abbildung zeigt eine S45P-Station von GreenField. Das S steht für Schnellbetankung (Fastfill), die Zahl 45 für die max. Förderleistung von 45Sm3/h und das P für eine Ausführung ohne Zapfsäule.

Für die technisch Interesierten hier die genauen Daten der S45 :

Ansaugdruck :1,1 – 1,35 bar abs
Enddruck :250 bar abs
Ansaugvolumen :36,8 – 45,3 Sm3/h
Wellenleistung :14,5 – 16,6 kW
Drehzahl :1490 upm (bei 50Hz)
Motorleistung :18,5 kW
Min./Max. Umgebungstemp. :-20/ +40°C
S45

Den gleichen Anlagentyp gibt es noch als S45E und hier steht das E für eine Ausführung mit Zapfsäule. Technisch sind die beiden Anlagen annähernd gleich, sie unterscheiden sich nur durch Absperrventile, welche bei der E-Ausführung die Zapfsäule von der Anlage abtrennen, sollte eine Störung auftreten.

Müssen grössere Flotten (z.Bsp. Bussflotten für den öffentlichen Verkehr) betankt werden, reicht die Förderleistung der S45-Anlage bei weitem nicht mehr. In diesem Segment der Betankungsanlagen gibt es keine standardisierten Anlagen mehr. Bei diesen Anlagen wird ein Betankungsprofil angefertigt. In dieses Profil werden alle Fahrzeuge mit ihrem Tankrhytmus eingetragen, daraus wird dann ersichtlich, wie gross der Speicher respektive wie gross der Kompressor sein muss. Bei GreenField haben diese Anlagen keine eigentlichen Typenbezeichnungen mehr. Die Bezeichnung spezifiziert nur noch den Kompressor und die Anlage als solches wird als SKID bezeichnet.

Als Beispiel habe ich die zur Zeit grösste in der Schweiz installierte Anlage ausgesucht. Es handelt sich dabei um die NGV-Anlage der Basler Verkehrsbetriebe, die im Moment 12 Erdgasbusse im Linienverkehr einsetzen. Im Endausbau sollen über 30 Busse eingesetzt werden und dann wird die Anlage mit zwei Kompressoren ausgerüstet sein.

Auch hier wieder für die Interessierten die Daten:

Ansaugdruck :3,0 – 5,5 bar abs
Enddruck :250 bar abs
Ansaugvolumen :442 Sm3/h
Wellenleistung :83 kW
Drehzahl :1230 upm
Motorleistung :110 kW
gem. Speichervolumen :9000 Liter
Total gesp. Gas :2600 Sm3 @ 250 bar abs
Kompressortyp :C4U 114.1 GPE

Der Speicher

Der Speicher ist kein unwesentlicher Faktor bei einer NGV-Anlage.

Es gibt eigentlich zwei verschiedene Speichersysteme die zur Fahrzeug betankung verwendet werden, immer jedoch muss der Druck im Speicher oder vom Kompressor kommend, grösser sein als der Druck im Fahrzeugspeicher. Es gibt Hersteller die einen sehr grossen Speicher wählen und damit, durch das grosse Volumen, den Differenzdruck genügend gross halten können. Dazu wird in der Regel ein im Vergleich zum grossen Speicher kleiner Kompressor gewählt, der dann sehr hohe Laufzeiten erreicht. Dieses System wird als 1-Liniensystem bezeichnet.

Der Vorteil diese Systems liegt wohl in der geringeren Anschlussleistung des Motors, was sich bei den Anschlusskosten ans E-Netz bemerkbar macht. Dazu wird nur eine Leitung zur Zapfsäule benötigt, was wiederum die Installationskosten senkt.

Nachteil dieses System, durch die hohe Laufleistung des Kompressors werden die Wartungsintervalle kürzer, was bedeutet, dass höhere Wartungskosten anfallen und mehr Betriebunterbrüche entstehen. Zudem werden die Behördenabnahmen aufwendiger. Sobald mehr als 3t Gas gespeichert werden, müssen Umweltverträglichkeitsprüfungen durchgeführt werden. Zudem kann immer nur ein kleiner Teil des Speichervolumens genutzt werden, man lagert also mehr Gas als eigentlich benötigt wird.

Weltweit das verbreitetste System ist das 3-Liniensystem. Dabei wird der Speicher in drei sogenannte Bank’s unterteilt, in eine Low-Bank, Middle-Bank und eine High-Bank wobei die englischen Ausdrücke Low (tief), Middle (mittel) und High (hoch) nicht für unterschiedliche Drücke stehen, sondern die Reihenfolge nach welcher das Gas aus den Bank’s bezogen wird, festlegt. So beginnt eine Betankung immer auf der Low-Bank, gleichen sich die Drücke im Fahrzeugspeicher und in der Low-Bank an, fliesst also nur noch langsam Gas vom Speicher zum Fahrzeug, wird auf die Middle-Bank umgeschaltet. Da die Middle-Bank zu dem Zeitpunkt noch voll ist, hat diese auch noch ihren max. Druck, womit wieder mehr Gas zum Fahrzeug fliesst. Dieser Vorgang wiederholt sich bis ein Druckausgleich zwischen High-Bank und Fahrzeugspeicher hergestellt ist, ab diesem Zeitpunkt füllt der Kompressor das Gas direkt zum Fahrzeug. Je nach grösse des Speichers können mehrere Fahrzeuge betankt werden, ohne das der Kompressor direkt Gas zum Fahrzeug fördert.

Der Vorteil dieses Systems liegt darin, das nicht wie bei einem 1-Liniensystem, ein riesiger Speicher benötigt wird, um das Fahrzeug in kürzester Zeit zu befüllen. Zudem werden die Laufzeiten des Kompressors nicht zu lang, was die Wartungskosten senkt. In der Regel bleibt das gespeicherte Gas unter der 3t Limite, damit wird keine Umweltverträglichkeitsprüfung notwendig. Durch die Variable grösser der drei Bänke, lässt sich der Speicher besser an die Bedürfnisse der Flotte anpassen, auch ein späterer Ausbau ist unproblematischer.

Nachteile gegenüber dem 1-Liniensystem sind : Die Anschlussleitung des Motors ist grösser und es müssen drei Hochdruckleitungen zur Zapfsäule installiert werden.

Es scheint das die Vorteile des 3-Liniensystems die Nachteile aufwiegen, zumindest ist dieses System auch in Europa das verbreitetste.

Speichers der Basler-Verkehrsbetriebe

Diese Art von Speicher kommt nur bei sehr grossen Anlagen zum Einsatz. Es handelt sich dabei um sogenannte Röhrenspeicher. Bei einem Ausbau der Bussflotte ist vorgesehen, zwei weiter Speicherröhren zu installieren, womit dann insgesamt sechs Röhrenspeicher mit einem Volumen von 13’500 Liter installiert währen. Eine Röhre hat ein Volumen von 2’250 Liter und die Aufteilung ist im Moment 2 Röhren (4500 Liter) Low-Bank und je 1Röhre (2250 Liter) Middle / High-Bank.

Die Zapfsäule

Die Zapfsäule ist für technisch Interessierte wohl das interessanteste Element einer Betankungsanlage. Zu erklären wie sie funktioniert, gehört aber zu den schwierigeren Aufgaben. Ich hoffe meine Ausführungen aber trotzdem allgemeinverständlich verfasst zu haben.

Die Zapfsäule übernimmt die Aufgabe das Gas aus dem Speicher kontrolliert ans Fahrzeug abzugeben. Wie auf der Seite „Was ist NGV“ beschrieben müssen dabei verschiedene Parameter überwacht werden, damit kein Überfüllen des Fahrzeugspeichers vorkommen kann. Da diese Überwachungen fast jeder Hersteller anders löst, werde ich hier nur das patentierte Sulzer Verfahren beschreiben.

Wenn ein Fahrzeug zum Tanken kommt, wird es an die Zapfsäule angeschlossen und der Tankvorgang mit dem Tankhebel gestartet. Danach werden zunächst 650g Gas aus der Low-Bank entnommen, weiter auf die Middle-Bank geschaltet und nochmals 650g gefüllt. Dies ist notwendig um in allen Leitungen (Zapfsäule und Fahrzeug) bis zum Fahrzeugspeicher den selben Druck zu haben, dann kann der genaue Druck (Fahrzeugspeicher) gemessen werden. Anhand des Restdruckes im Fahrzeug und der Aussentemperatur errechnet die Zapfsäulenelektronik die zu betankende Menge Gas. Ist die Menge berechnet wird die eigentliche Betankung gestartet, nach 50% der errechneten Menge stoppt die Zapfsäule die Betankung, misst wiederum den Druck und berechnet die jetzt noch zu betankende Menge neu, überprüft also ihre erste Berechnung. Dies wiederholt sich ein weiteres mal bei 87% der Menge.

Die Zapfsäule unterbricht also die Betankung zwei mal, warum werden sich einige Fragen. Die Berechnung zu Beginn ist mehr eine Schätzung, erst beim 50%-Stopp kann eine genaue Aussage über den weiteren Tankverlauf gemacht werden, der Stopp bei 87% wird aus Sicherheitsgründen gemacht, um Rechenfehler beim 50%-Stopp zu erkennen. Diese Stop’s sind notwendig, weil während der Betankung der Druck im Fahrzeugspeicher nicht gemessen werden kann. Grund dafür ist die Tatsache, dass vom Speicher ein Druck von 250bar einem geringeren Druck im Fahrzeug gegenübersteht, dadurch entsteht ein Staudruck in der Verrohrung des Fahrzeuges und nur diesen könnte man während der Betankung messen. Dieser Staudruck ist aber bei jedem Fahrzeug anders und somit nicht aussagekräftig für den Stand der Betankung. Umgehen könnte man diesen Effekt nur, wenn man den Durchfluss sehr stark Drosselt, was aber die Betankungszeit weit mehr erhöht als die Messtopps.

Ein Problem beim Stop/Start sind die Druckschläge. Bei den Sulzer-Zapfsäulen ist daher ein spezielles Ventil zu diesem Zweck entwickelt worden. Die normalen Magnetventile schiessen und öffnen zu schnell und es kommt zu sehr harten Druckschlägen. Das sogenannte Scheibenventil ermöglicht sanfte Schliess- und Öffnungsvorgänge, was die Messtopps ohne Druckschläge ermöglicht.

Bei der Betankung steigt die Temperatur im Fahrzeugspeicher, diesen Effekt kennt jeder von der Fahradpumpe die heiss wird beim Aufpumpen eines Reifens. Da der Druck im Fahrzeugspeicher mit der Erhöhung der Temperatur steigt, wird das Fahrzeug zwar auf den maximal erlaubten Druck gefüllt, nach dem abkühlen des Fahrzeugspeichers jedoch, ist der Druck erheblich gesunken. Mit einer Zusatz-Software Optifill® kann dieser Temperaturanstieg im voraus berechnet werden. Der maximale Fülldruck wird um den Wert der erhöhten Temperatur im Fahrzeugspeicher korrigiert. So ist es möglich das Fahrzeug mit einer Genauigkeit von über 90% des erlaubten Maximums zu füllen, ohne diese Zusatz-Software werden Füllgrade von 70-80% erreicht.

Sulzer hat zwei Zapfsäulen, eine für PKW’s und eine für LKW’s/Busse die sich optisch nicht unterscheiden, jedoch unterschiedliche Durchflüsse zulassen. Beide Varianten sind eichfähig und somit zum Einsatz an öffentlichen Tankstellen geeignet.

Bus Zapfsäule
Daten Buss-Zapfsäule 
TypenbezeichnungJBB 20 AO
Max. Durchfluss100 kg/min
Daten PKW-Zapfsäule 
TypenbezeichnungJBB 20 A
Max. Durchfluss30 kg/min