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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum optimierten Betrieb einer Anlage zur Erzeu- gung von thermischer Energie, vorzugsweise zur gleichzeitigen Erzeugung von elektrischer und thermischer Energie mit einem Brennstoffzellenheizgerät und einer Vorrichtung zum Speichern von thermischer Energie.
Brennstoffzellenanlagen, welche über einen Reformer mit wasserstoffreichem Brenngas ver- sorgt werden, sollten möglichst nicht taktend, sondem vielmehr mit langen Laufzeiten betrieben werden, da das Anfahren der Anlage den Verschleiss des Reformers fördert und mit Energieverlus- ten behaftet ist.
Da nicht stets eine konstante Energiemenge benötigt wird, kann ein Abschalten dadurch ver- mieden werden, dass die Anlage temporär modulierend, d. h. mit Teillast betrieben wird. Da jedoch das Verhältnis zwischen angeforderter Wärme und angefordertem Strom nicht konstant ist, muss die nicht benötigte Energie abgeführt oder zwischengespeichert werden. Stromspeicher sind zur Zeit nicht wirtschaftlich, so dass man bei Brennstoffzellenanlagen überschüssigen Strom in der Regel in das Netz einspeist. Demgegenüber kann Wärme leicht mit handelsüblichen Warmwasser- speichern gespeichert werden.
Bei Warmwasserspeichern gibt es Schichtenspeicher, welche sich dadurch auszeichnen, dass das Temperaturniveau von oben nach unten abnimmt. Brauchwasserschichtenspeicher werden von unten mit kaltem Brauchwasser befüllt. Aus dem unteren Bereich wird kühles Wasser ent- nommen, einer Heizeinrichtung zugeführt, dort erhitzt und dem oberen Bereich des Speichers wieder zugeführt. Hierdurch entsteht - insbesondere bei geringen Turbulenzen oben - genannte Temperaturschichtung. Warmes Brauchwasser kann dem oberen Bereich des Speichers entnom- men werden.
Aus der DE 199 12 569 A1 ist ein Schichtenspeicher bekannt, der von einem Brennwertgerät geladen wird. Brennwertgeräte verbrennen unmittelbar Erdgas, Flüssiggas oder Heizöl, weshalb sie ohne Probleme ein- und ausgeschaltet werden können. Demgegenüber besteht bei Brennstoff- zellen das Problem, das Ein- und Ausschalten vermieden werden sollte, da der meist vorhandene Reformer sehr träge ist und die Brennstoffzellen durch das Ein- und Ausschalten stark verschlei- #en.
Konventionelle Schichtenspeicher werden auf einem Temperaturniveau gehalten, welches den Hygieneanforderungen (z. B. Vermeidung von Legionellenbildung) und dem Komfortbedarf ent- spricht.
Ein derartig hohes Temperaturniveau würde bei Brennstoffzellenanlagen dazu führen, dass die Brennstoffzelle taktend betrieben werden müsste, was jedoch aufgrund der Trägheit des Reformers zu vermeiden ist und auch die Lebensdauer der Brennstoffzelle erheblich vermindern würde.
Ziel der Erfindung ist es, diesen Nachteil zu vermeiden und eine Anlage zur Erzeugung von thermischer Energie vorzugsweise mit einem Brennstoffzellenheizgerät und einer Vorrichtung zum Speichern von thermischer Energie der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, die sich durch hohe Aufnahmefähigkeit von thermischer Energie der Anlage auszeichnet.
Erfindungsgemäss wird dies bei einem Verfahren gemäss dem unabhängigen Anspruch 1 da- durch erreicht, dass die Leistungsregelung der Anlage und gegebenenfalls des Zusatzheizgerätes in Abhängigkeit der Temperatur eines Sensors, der sich im mittleren Bereich des Speichers befin- det, erfolgt.
Gemäss den Merkmalen des Anspruchs 2 ergibt sich der Vorteil, dass eine rasche Speicherla- dung gemäss gewissen Komfortanforderungen erzielt wird.
Durch die Merkmale des Anspruchs 3 wird erreicht, dass günstige Rahmenbedingungen für den Betrieb der Anlage zur Erzeugung von thermischer Energie bei hoher Leistung festgelegt werden.
Gemäss den Merkmalen des Anspruchs 4 kann vorteilhaft die Anlage zur Erzeugung von ther- mischer Energie mit beliebiger Leistung betrieben werden.
Durch die Merkmale des Anspruchs 5 wird erreicht, dass die Anlage zur Erzeugung von ther- mischer Energie möglichst nicht in den taktenden Betrieb übergehen muss.
Durch die Merkmale des Anspruchs 6 und 7 wird erreicht, dass Anlage zur Erzeugung von thermischer Energie abschaltet, sobald der Schichtenspeicher keine Wärme mehr aufnehmen kann.
Gemäss den Merkmalen des Anspruchs 8 kann vorteilhaft eine Legionellenbildung im Speicher
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verhindert werden.
Durch die Merkmale des Anspruchs 9 wird erreicht, dass die beiden Wärmequellen besonders vorteilhaft ihre Wärme zum Beheizen des Schichtenspeichers abgeben könne. Besonders vorteil- haft ist es, wenn zunächst die Wärmequelle mit dem geringeren Temperaturniveau - zumeist das Brennstoffzellenheizgerät - seine Wärme abgibt.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 eine Heizungsanlage mit Brennstoffzellenheizgerät und Warmwasserschichtenspeichem zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens,
Fig. 2 eine Heizungsanlage mit Brennstoffzellenheizgerät, Zusatzheizgerät und Warmwasser- schichtenspeichern zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens,
Fig. 3 eine weitere Heizungsanlage mit Brennstoffzellenheizgerät, Zusatzheizgerät und Warm- wasserschichtenspeichern zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens.
Figur 1 zeigt ein Brennstoffzellenheizgerät 15, das über eine Umwälzpumpe 16 mit einem Wär- meaustauscher 6 verbunden ist. Auf der anderen Seite des Wärmeaustauschers 6 befindet sich ein Schichtenspeicher 1, aus dessen unteren Bereich ein Kaltwasserabzug 3 zu einer Umwälzpumpe 7 führt, diese wiederum mit dem Wärmeaustauschers 6 verbunden ist und von diesem eine Spei- cherladeleitung 4 in den oberen Bereich des Schichtenspeichers 1 führt. In der Speicherladeleitung 4 befindet sich ein Temperatursensor 10. In den Schichtenspeicher 1 führt ferner ein Kaltwasserzu- lauf 2 und ein Warmwasserabzug 5. Auf der Vorlaufseite des Brennstoffzellenheizgerätes 15, im unteren und mittleren Bereich des Schichtenspeichers 1 befinden sich Temperatursensoren 11,12 und 13.
Alle Temperatursensoren 10,11, 12 und 13, das Brennstoffzellenheizgerät 15 sowie die Pumpen 7 und 16 sind über Signalleitungen 31 bis 37 mit einer Steuerung 8 verbunden.
Die Steuerung 8 verfügt über Sollwertgeber 21 bis 26, eine Schaltuhr 27 sowie Vergleicher 28 und 29.
Wird der Schichtenspeicher 1 aus dem kalten Zustand geladen, so wird das Brennstoffzellen- heizgerät 15 zunächst mit voller Leistung betrieben. Die Wärme wird an den Wärmeaustauscher 6 weitergeleitet. Aus dem unteren Bereich des Schichtenspeichers 1 wird kaltes Wasser abgesaugt und über die Umwälzpumpe 7 dem Wärmeaustauscher 6 zugeführt, wo das Wasser erwärmt wird und anschliessend über die Speicherladeleitung 4 in den obersten Bereich des Schichtenspeichers 1 gelangt. Hierdurch steigen die gemessenen Temperaturen an dem Temperatursensor 10. Über- schreitet die Temperatur des Temperatursensors 10 eine vorgegebene Solltemperatur, so realisiert die Steuerung 8 dies und reduziert die Leistung des Brennstoffzellenheizgerätes 15. Nun kann das Brennstoffzellenheizgerät 15 derart betrieben werden, dass beispielsweise die Brennstoffzelle stromgeführt betrieben wird.
Dies bedeutet, dass die Brennstoffzelle soviel Strom produziert, wie ein Verbraucher von ihr fordert. Hierbei produziert die Brennstoffzelle gleichzeitig eine proportiona- le Wärmemenge, die zum Laden des Schichtenspeichers 1 genutzt wird. Überschreitet die Tempe- ratur am Temperatursensor 12 einen vorgegebenen Sollwert, so ist vorrangiges Ziel der Regelung 8 die Laufzeit des Brennstoffzellenheizgerätes 15 zu maximieren. Daher regelt die Regelung 8 die Leistung des Brennstoffzellenheizgerätes 15 auf minimale Leistung. Aufgrund der Temperaturmes- sung am Temperatursensor 12 erkennt die Steuerung 8, wann der Schichtenspeicher 1 keine Wärme mehr aufnehmen kann und schaltet das Brennstoffzellenheizgerät 15 ab.
Fig. 2 zeigt zusätzlich ein Zusatzheizgerät 14 mit Umwälzpumpe 16, Gasventil 17, Brenner 19, Wärmeaustauscher 18, das parallel zu dem Brennstoffzellenheizgerät 15 geschaltet ist. Zusatz- heizgerät 14 und Brennstoffzellenheizgerät 15 münden gemeinsam in ein Umschaltventil 9. Auch die Umwälzpumpe 16, das Gasventil 17 und das Umschaltventil 9 sind über Signalleitungen 39, 38, 40 mit der Steuerung 8, die zusätzlich einen Umschalter 30 und einen weiteren Sollwertgeber 20 enthält, verbunden.
Wird der Schichtenspeicher 1 aus dem kalten Zustand geladen, so werden das Brennstoffzel- lenheizgerät 15 und das Zusatzheizgerät 14 mit voller Leistung betrieben. Überschreitet die Tem- peratur am Temperatursensor 12 eine vorgegebene Solltemperatur z. B. 45 C, so realisiert die Steuerung 8 dies und schaltet das Zusatzheizgerät 14 ab. Nun kann das Brennstoffzellenheizgerät 15 derart betrieben werden, dass beispielsweise die Brennstoffzelle stromgeführt betrieben wird.
Überschreitet die Temperatur am Temperatursensor 12 einen weiteren vorgegebenen Sollwert z. B.
55 C, so ist vorrangiges Ziel der Steuerung 8 die Laufzeit des Brennstoffzellenheizgerätes 15 zu
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maximieren. Daher steuert die Steuerung 8 die Leistung des Brennstoffzellenheizgerätes 15 auf minimale Leistung. Aufgrund der Temperaturmessung am Temperatursensor 12 erkennt die Steuerung 8, wann der Schichtenspeicher 1 keine Wärme mehr aufnehmen kann und schaltet das Brennstoffzellenheizgerät 15 ab.
In Fig. 3 sind das Brennstoffzellenheizgerät 15 und das Zusatzheizgerät 14 über zwei Wärmeaustauscher 6 und 6' in Reihe geschaltet. Es ist auch möglich, dass das Wasser des Schichtenspeichers 1 erst vom Brennstoffzellenheizgerät 15 und dann vom Zusatzheizgerät 14 erhitzt wird.
Die Steuerung 8 steuert in fest vorgegebenen Zeitintervallen das Brennstoffzellenheizgerät 15 und das Zusatzheizgerät 14 derartig an, dass die Temperatur im Schichtenspeicher 1 derartig ansteigt, dass Legionellen sich nicht bilden können.
Bei der Speicherladung kann über die Variation der Drehzahl der Umwälzpumpe 7 beziehungsweiche Taktung der Pumpe die Temperatur in der Speicherladeleitung 4 verändert werden.
Mittels Temperatursensor 11 kann u.a. festgestellt werden, wann eine Speicherladung begonnen werden muss.
Statt eines Brennstoffzellenheizgerätes kann auch eine andere Wärmequelle verwendet werden, die sich vorzugsweise dadurch auszeichnen sollte, dass das Temperaturniveau relativ niedrig und/oder die angestrebte Betriebsdauer lang sein sollte.
Bezugszeichenliste
1 Schichtenspeicher
2 Kaltwasserzulauf
3 Kaltwasserabzug
4 Speicherladeleitung
5 Warmwasserabzug
6 Wärmeaustauscher
7 Umwälzpumpe
8 Steuerung
9 Umschaltventil
10 Temperatursensor
11 Temperatursensor
12 Temperatursensor
13 Temperatursensor
14 Zusatzheizgerät
15 Brennstoffzellenheizgerät
16 Umwälzpumpe
17 Gasventil
18 Wärmeaustauscher
19 Brenner
20 Sollwertgeber
21 Sollwertgeber
22 Sollwertgeber
23 Sollwertgeber
24 Sollwertgeber
25 Sollwertgeber
26 Sollwertgeber
27 Schaltuhr
28 Vergleicher
29 Vergleicher
30 Umschalter
31 Signalleitung
32 Signalleitung
33 Signalleitung
34 Signalleitung
35 Signalleitung
36 Signalleitung
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The invention relates to a method for the optimized operation of a system for generating thermal energy, preferably for the simultaneous generation of electrical and thermal energy with a fuel cell heating device and a device for storing thermal energy.
Fuel cell systems, which are supplied with hydrogen-rich fuel gas via a reformer, should preferably not be clocked, but should rather be operated with long operating times, since starting up the system promotes the wear of the reformer and is associated with energy losses.
Since a constant amount of energy is not always required, a shutdown can be avoided by temporarily modulating the system, ie. H. is operated with partial load. However, since the ratio between the requested heat and the requested electricity is not constant, the energy not required must be dissipated or temporarily stored. Electricity storage is currently not economical, so that excess electricity is usually fed into the grid in fuel cell systems. In contrast, heat can easily be stored using commercially available hot water storage tanks.
In hot water storage tanks there are stratified storage tanks, which are characterized by the fact that the temperature level decreases from top to bottom. Service water layer tanks are filled with cold service water from below. Cool water is taken from the lower area, fed to a heating device, heated there and returned to the upper area of the storage tank. This creates the temperature stratification mentioned above, particularly in the case of low turbulence. Hot service water can be taken from the upper area of the storage tank.
A stratified storage unit is known from DE 199 12 569 A1, which is loaded by a condensing boiler. Condensing boilers burn natural gas, LPG or heating oil immediately, which is why they can be switched on and off without any problems. In contrast, there is the problem with fuel cells that switching on and off should be avoided, since the reformer, which is usually present, is very slow and the fuel cells are very worn out by switching on and off.
Conventional stratified storage tanks are kept at a temperature level that corresponds to the hygiene requirements (eg avoidance of legionella formation) and the need for comfort.
Such a high temperature level in fuel cell systems would mean that the fuel cell would have to be operated in a clocked manner, but this should be avoided due to the inertia of the reformer and would also significantly reduce the service life of the fuel cell.
The aim of the invention is to avoid this disadvantage and to propose a system for generating thermal energy, preferably with a fuel cell heating device and a device for storing thermal energy of the type mentioned at the outset, which is distinguished by the high absorption capacity of the system's thermal energy.
According to the invention, this is achieved in a method according to independent claim 1 by regulating the output of the system and, if appropriate, of the additional heating device as a function of the temperature of a sensor located in the central region of the memory.
According to the features of claim 2, there is the advantage that rapid storage loading according to certain comfort requirements is achieved.
It is achieved by the features of claim 3 that favorable general conditions for the operation of the plant for generating thermal energy at high power are determined.
According to the features of claim 4, the plant for generating thermal energy can advantageously be operated with any power.
What is achieved by the features of claim 5 is that the system for generating thermal energy does not have to transition to cyclical operation if possible.
The features of claims 6 and 7 ensure that the system for generating thermal energy switches off as soon as the stratified storage can no longer absorb heat.
According to the features of claim 8, legionella formation in the memory can be advantageous
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be prevented.
It is achieved by the features of claim 9 that the two heat sources can emit their heat for heating the stratified storage tank in a particularly advantageous manner. It is particularly advantageous if the heat source with the lower temperature level - usually the fuel cell heating device - first emits its heat.
The invention will now be explained in more detail with reference to the drawings. It shows
1 shows a heating system with a fuel cell heating device and hot water layer storage for carrying out the method according to the invention,
2 shows a heating system with a fuel cell heating device, additional heating device and hot water layer stores for carrying out the method according to the invention,
3 shows a further heating system with a fuel cell heater, additional heater and hot water layer stores for carrying out the method according to the invention.
FIG. 1 shows a fuel cell heating device 15, which is connected to a heat exchanger 6 via a circulation pump 16. On the other side of the heat exchanger 6 there is a stratified storage tank 1, from the lower area of which a cold water outlet 3 leads to a circulation pump 7, which is in turn connected to the heat exchanger 6 and from which a storage tank charging line 4 leads into the upper area of the stratified storage tank 1 , There is a temperature sensor 10 in the storage charging line 4. A cold water inlet 2 and a hot water outlet 5 also lead into the stratified storage tank 1. Temperature sensors 11, 12 and 13 are located on the flow side of the fuel cell heating device 15, in the lower and middle area of the stratified storage tank 1.
All temperature sensors 10, 11, 12 and 13, the fuel cell heating device 15 and the pumps 7 and 16 are connected to a controller 8 via signal lines 31 to 37.
The controller 8 has setpoint transmitters 21 to 26, a timer 27 and comparators 28 and 29.
If the stratified storage device 1 is loaded from the cold state, the fuel cell heating device 15 is initially operated at full power. The heat is passed on to the heat exchanger 6. Cold water is drawn off from the lower area of the stratified storage tank 1 and fed to the heat exchanger 6 via the circulation pump 7, where the water is heated and then reaches the uppermost area of the stratified storage tank 1 via the storage charging line 4. As a result, the measured temperatures at the temperature sensor 10 rise. If the temperature of the temperature sensor 10 exceeds a predetermined target temperature, the controller 8 realizes this and reduces the output of the fuel cell heating device 15. The fuel cell heating device 15 can now be operated such that, for example, the fuel cell is live is operated.
This means that the fuel cell produces as much electricity as a consumer demands from it. The fuel cell simultaneously produces a proportional amount of heat that is used to charge the stratified storage 1. If the temperature at the temperature sensor 12 exceeds a predetermined target value, the primary aim of the control system 8 is to maximize the running time of the fuel cell heating device 15. Regulation 8 therefore regulates the output of fuel cell heating device 15 to minimum output. On the basis of the temperature measurement at the temperature sensor 12, the controller 8 recognizes when the stratified storage 1 can no longer absorb heat and switches off the fuel cell heating device 15.
FIG. 2 additionally shows an additional heater 14 with circulation pump 16, gas valve 17, burner 19, heat exchanger 18, which is connected in parallel with the fuel cell heater 15. Auxiliary heater 14 and fuel cell heater 15 open together in a changeover valve 9. The circulation pump 16, the gas valve 17 and the changeover valve 9 are also connected to the controller 8 via signal lines 39, 38, 40, which additionally contains a changeover switch 30 and a further setpoint generator 20 , connected.
If the stratified storage device 1 is loaded from the cold state, the fuel cell heater 15 and the additional heater 14 are operated at full power. If the temperature at the temperature sensor 12 exceeds a predetermined target temperature z. B. 45 C, the controller 8 realizes this and switches off the auxiliary heater 14. The fuel cell heating device 15 can now be operated such that the fuel cell is operated in a current-carrying manner, for example.
If the temperature at the temperature sensor 12 exceeds a further predetermined setpoint z. B.
55 C, the primary aim of the controller 8 is the runtime of the fuel cell heater 15
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maximize. Therefore, the controller 8 controls the power of the fuel cell heater 15 to minimum power. On the basis of the temperature measurement at the temperature sensor 12, the controller 8 recognizes when the stratified storage 1 can no longer absorb heat and switches off the fuel cell heating device 15.
In Fig. 3, the fuel cell heater 15 and the auxiliary heater 14 are connected in series via two heat exchangers 6 and 6 '. It is also possible that the water of the stratified storage tank 1 is first heated by the fuel cell heating device 15 and then by the additional heating device 14.
The controller 8 controls the fuel cell heating device 15 and the additional heating device 14 at predetermined time intervals in such a way that the temperature in the stratified storage device 1 rises in such a way that legionella bacteria cannot form.
When charging the storage tank, the temperature in the storage charging line 4 can be changed by varying the speed of the circulation pump 7 or by clocking the pump.
The temperature sensor 11 can, among other things, determine when to start charging storage.
Instead of a fuel cell heating device, another heat source can also be used, which should preferably be characterized in that the temperature level should be relatively low and / or the intended operating time should be long.
LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 stratified tank
2 cold water inlet
3 cold water drain
4 storage charging line
5 hot water extraction
6 heat exchangers
7 circulation pump
8 control
9 changeover valve
10 temperature sensor
11 temperature sensor
12 temperature sensor
13 temperature sensor
14 Additional heater
15 fuel cell heater
16 circulation pump
17 gas valve
18 heat exchangers
19 burners
20 setpoint adjuster
21 setpoint adjuster
22 setpoint adjuster
23 setpoint adjuster
24 setpoint adjuster
25 setpoint adjuster
26 setpoint adjuster
27 time switch
28 comparators
29 comparators
30 switches
31 signal line
32 signal line
33 signal line
34 signal line
35 signal line
36 signal line