CN105874677B - 用于暂存能量供应系统的电能的方法以及再生蓄能设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于暂存能量供应系统的电能的方法（450）。该方法（450）包括：通过到所述能量供应系统的接口来接收（452）电能的步骤；执行（454）电解以便将电能转化为化学反应能和氧化剂的步骤；以及将所述化学反应能存储（456）在储液罐中的步骤。

Description

用于暂存能量供应系统的电能的方法以及再生蓄能设备

技术领域

本发明涉及一种用于暂存能量供应系统的电能的方法以及涉及一种再生（regenerative）蓄能设备。

背景技术

当前，在住宅建筑物的房顶上的光伏设施（PV设施）在中午时分提供很多电流，而在晚间时分进行主电流消耗。这导致：在没有蓄电池的通常的系统中，自消耗部分（涉及光伏收益的自消耗）以及自给自足部分（Eigendeckungsanteil）（涉及家庭消耗的自给自足）更可能是微小的。这意味着：大的电流量在白天被馈入到电网，而在傍晚或者在夜晚买进电流。

发明内容

在该背景下，利用这里所介绍的方案介绍了按照独立权利要求所述的一种用于暂存能量供应系统的电能的方法，以及此外还介绍了按照独立权利要求所述的一种再生蓄能设备。有利的构建方案从相应的从属权利要求和随后的描述得到。

电能可通过电解被转化为化学反应能，而所述化学反应能可被存储在储液罐中，所述储液罐在其大小方面是轻易地可改变的和可适配的。这样的系统在没有特定的用于保护储液罐的存储策略的情况下够用。在此，有利地实现了存储器容积与存储器功率的去耦（Entkopplung）。

介绍了一种用于暂存能量供应系统的电能的方法，其中所述方法具有如下步骤：

通过到能量供应系统的接口来接收电能；

执行电解，以便将电能转化为化学反应能和氧化剂；并且

将化学反应能存储在储液罐中。

能量供应系统可以被理解为将可再生能源用于产生电流或者产生电流和热的系统。在此，可再生能源例如可以被理解为水力、风力、太阳能或者地热。电能可以被理解为电流。在执行电解的步骤中，电能可迫使发生氧化还原反应。在此，一部分电能可以被转化为化学能。一部分电能可以被转化为热。在所述执行电解的步骤中，可以使用辅助材料或者原材料、诸如水，以便在使用电能的情况下迫使发生氧化还原反应。

在所述接收的步骤中，可通过到作为能量供应系统的光伏设施的接口来接收电能。这样，由光伏设施所产生的电能可以被转化为化学能并且本身可以被存储在储液罐中。

此外，在所述产生的步骤中，可以在使用光伏设施的情况下产生电能。这样可以使用太阳能，以便产生电能。

如果该方法包括将化学反应能转化为被转化回的电能的步骤和提供被转化回的电能的步骤，那么也是有利的。有利地，通过储液罐可以在时间上将产生电能与消耗电能去耦。在将化学反应能转化为被转化回的电能的步骤中可出现热。

在所述转化的步骤中，在燃料电池中可产生化学反应能与氧化剂的反应，以便在所述提供的步骤中提供所转化回的电能并且作为补充或者可替换地提供在燃料电池中出现的热。

在所述提供的步骤中，可以在到公共电网的接口上并且作为补充或者可替换地在到房屋电网（Hausnetz）的接口上提供所转化回的电能。这样，所转化回的电能可以由家庭自己消耗，或者所转化回的电能可以被馈入到公共电网中。这样，可以平衡需求波动或者在产生电能与消耗电能之间的失衡。

在所述接收的步骤中，可通过到公共的、本地的或者私营的电网的接口来接收电能。这样，在供大于求时或者在具有特别低的价格时可以由公共电网来接收电能。这样，可以成本有效地满足电力需求量。这样，可以改善公共电网的电网稳定性。

此外，在所述执行电解的步骤中，水可以被裂解为氢和氧，而且作为补充或者可替换地可以提供在执行电解时出现的热。

有利地，在所述存储的步骤中，可以存储化学反应能、氧化剂并且作为补充或者可替换地存储在执行电解时出现的热。在一特定的实施形式中，在所述存储的步骤中可以存储氢并且作为补充可以存储氧，而且作为补充或者可替换地可以存储热。在所述存储的步骤中，也可以存储在将化学反应能转化为被转化回的电能的步骤中出现的水。如果氢、氧和水都被存储，那么可形成闭合环路。

介绍了一种用于能量供应系统的再生蓄能设备，其中所述再生蓄能设备具有如下特征：

用于接收能量供应系统的电能的接口；

用于将电能转化为化学反应能和氧化剂的电解装置；和

用于将化学反应能存储在储液罐中的存储装置。

电解装置可以被理解为电解槽。该电解装置可以作为可调节的负荷被用于电网稳定化。化学反应能可以被产生为流体、尤其是可以气态地被产生。氧化剂可以被产生为流体。在可被构造为储液罐的存储装置中，化学反应能和氧化剂可以彼此分开地被存储。

所述再生蓄能设备可具有用于将化学反应能转化为被转化回的电能的燃料电池和用于提供所转化回的电能的接口。这样，可以创建一种用于电能的缓存器。

再生蓄能设备的变型方案可以被用于存储并且作为补充或者可替换地被用于缓冲针对房屋的电能。

此外，这里所介绍的方案创建了一种设备，所述设备被构造，以便在相对应的装置中执行或实现这里所介绍的方法的变型方案的步骤。通过本发明的以设备为形式的实施变型方案，也可以快速地并且有效地解决本发明所基于的任务。

有利地，这里所介绍的发明思想的一个方面创建了：配备有再生蓄能设备和光伏设施的建筑物通过使用大的蓄能器使自给自足部分提高。在下降的或接近终了的针对所馈入的电流的资助的背景下，这在经济上是令人感兴趣的。同时，可使得热量利用成为可能，并且在总能量消耗（电流到电流和电流到热量）中减少成本借此变得可能。电流利用和热量利用的各种各样的利用概念是可设想的，比如释放给能量供应方，以用家庭的无成本的热来利用电存储器。有利地，也可以在馈电价格高时使得时间延迟地馈入电流成为可能。一个方面也是通过将多个小的分散的蓄能器用作对大的中央存储器的替换来进行电网稳定化的可能性。

附图说明

这里所介绍的方案在下文依据附上的附图示例性地进一步被解释。

图1示出了按照本发明的实施例的在具有能量供应系统的房屋中的再生蓄能设备的示意图；

图2示出了按照本发明的实施例的再生蓄能设备的方框电路图；

图3示出了按照本发明的实施例的再生蓄能设备的方框电路图；以及

图4示出了按照本发明的实施例的方法的流程图。

在随后的对本发明的有利的实施例的描述中，相同的或者相似的参考符号被用于在不同的附图中所示出的并且起相似作用的要素，其中对所述要素的重复的描述被放弃。

具体实施方式

图1示出了按照本发明的实施例的在具有能量供应系统104的房屋102中的再生蓄能设备100的示意图。按照该实施例，房屋102具有再生能量供应系统104，所述再生能量供应系统104在所示出的实施例中被构造为光伏系统106，其包括至少一个太阳能模块108和逆变器110。也被称作家庭102的房屋102具有耗电器112。此外，房屋102还具有再生蓄能设备100。再生蓄能设备100可以被称作燃料电池存储设备或者被称作再生蓄能器。

如在图2和图3中进一步被实施的那样，所述再生蓄能设备100包括至少一个用于接收电能116、118的接口、电解装置以及存储装置。通过线路和相对应的接口，房屋102或再生蓄能设备100与公共电网114相连。从电网114取得电能118，所述电能118与情况有关地被引到用于接收再生蓄能设备100的电能的接口上或者被引到耗电器112上。由再生蓄能设备100转化回的电能120被馈入到公共电网114中或者被引到耗电器112上。为此，再生蓄能设备100具有相对应的控制设备，以便操纵（lenken）通过电流。

光伏设施106被构造为：在再生蓄能设备100上和作为补充或者可替换地在耗电器112上提供电能116。公共电网114将电能提供给房屋102或家庭102。可选地，如在图1中的实施例中所示出的那样的公共电网被构造为：光伏设施106的和再生蓄能设备100的电能可直接被馈入到公共电网114中。

作为在住宅建筑物102中的蓄电池，所述再生蓄能设备100也被称作再生燃料电池系统100。在当前的资助政策的情况下，针对所馈入的电流116、120，光伏设施106的拥有者获得（根据所述设施的开始运转的时间点的）被规定的价格。当然，该价格在德国随着装机功率的数目而下降。此外，2012年曾实行自消耗补贴，根据所述自消耗补贴，当前仅还补偿所产生的电流量的最大90％，以便创建用于被增强的自利用的刺激。一般，该资助进行超过20年的时间。太阳能电流120的可在该资助期满之后实现的价格是不可预见的，但是也许是低的，因为在阳光下，过剩的电流120将准备好用于进行馈电。因此，有意义的是：最迟从该时间点起或者自己消耗所生产的电流116或者通过暂存而在可实现的高的电价时馈入电流120，这附加地可导致电网114的稳定化。如已经在上面被描述的那样，在所示出的实施例中，光伏设施106与公共电网114相连，以便作为补充或者可替换地直接（ohne Umweg）通过再生蓄能设备100将所生产的电流馈入到公共电网114中。

出于所述原因，用于光伏设施104的存储系统越来越多地被提供。在这里所示出的再生蓄能设备100上，存储器大小的简单的可缩放性（Skalierbarkeit）是有利的。再生蓄能设备100提供了如下可能性：实现电力需求量的白天－夜晚平衡并且有助于自给自足部分的提高。此外，与基于电池组的（batteriebasierend）解决方案相比，较大的并且可缩放的存储器是可能的。参数“存储内容、最大充电功率和最大放电功率”在所述参数之间没有折衷方案的情况下是可自由配置的。因此，如果大的存储器大小（存储内容）是可支配的，那么家庭的高的自给自足部分是可能的。这样，有利地，超越白天－夜晚平衡，在缺少太阳的星期中供应也是可实现的。

作为再生燃料电池系统，再生蓄能设备100的实施例通过将存储器容积与存储器功率去耦来使得与本地的现实（家庭的电流消耗、与季节有关的光伏功率）的有针对性的适配成为可能。附加的例如以储气瓶为形式的存储容量是比较有利的。通过使用用于给存储器充电的电解槽和用于给存储器放电的燃料电池来实现充电功率与放电功率的可选的去耦。通过避免复杂化的存储策略可以实现简单的系统。在此，在系统的使用寿命内，维持确定的充电状态以及电流强度是不重要的。此外，在当前的认知水平下，再生燃料电池系统100没有与周期有关的老化。在此，再生蓄能设备100的实施例创建了组合的电流和热量利用。这在微薄的馈电价格但是高昂的气体成本的情况下尤其是令人感兴趣的。

图2示出了按照本发明的实施例的用于提供再生能量供应系统的再生蓄能器的再生蓄能设备100的方框电路图。所述再生能量供应系统可以是在图1中配备有参考符号104的再生能量供应系统的实施例。所述再生蓄能设备100包括：至少一个接口222，用于接收再生能量供应系统的电能116并且作为补充或者可替换地从电网接收电能118；电解装置224，用于将电能116、118转化为化学反应能226和氧化剂228；以及存储装置230，用于存储至少所述化学反应能226。在实施例中，存储装置230是储液罐230。化学反应能226被产生为流体。

在图2中所示出的实施例中，所述再生蓄能设备100包括用于将化学反应能226转化为被转化回的电能120的燃料电池232。此外，所述再生蓄能设备100还具有用于提供所转化回的电能120的接口234。在此，在使用化学反应能226和氧化剂228的情况下，燃料电池232可以转化所转化回的电能120。在此，在这里所介绍的实施例的一变型方案中，所述化学反应能226是氢，而所述氧化剂228是氧。视实施例或者情况而定，所转化回的电能120被馈入到电网或者被提供给家庭或者被馈入到公共电网中。功率电子装置没有被示出。在此，设置功率电子装置可以是必要的。相对应的实施例在图3中被示出。在那里示出了配备有参考符号348和349的两个功率电子装置。

在一未被示出的实施例中，电解槽224具有用于接收水的接口。此外，在所述未被示出的实施例中，燃料电池232还具有用于提供水的接口。在电解槽224中，在使用电能116的情况下可将水裂解为氢和氧。在燃料电池232中，相反的过程可以产生通过氢与氧的反应引起的被转化回的电能120和水。在两个过程中，也就是说在电解槽224中和在燃料电池232中附加地出现了在相对应的接口上被提供的热。

图3示出了按照本发明的实施例的用于提供再生蓄能器的再生蓄能设备100的方框电路图。所述再生蓄能设备100可以是在图1或者图2中被示出的并且被描述的再生蓄能设备100的实施例。所述再生蓄能设备100包括电解单元224、燃料电池单元232、到能量供应系统104或到光伏设施106的接口222、到电网114的接口234以及存储装置230。存储装置230被分为氢存储器340、氧存储器342、水箱344以及被布置在再生蓄能设备100外部的蓄热器346。在两个进行的过程中、即在电解槽224中进行的过程中和在燃料电池232中进行的过程中，可以将形成的热耦合输出。光伏设施106通过第一功率电子装置348与到再生能量供应系统104的接口222相连。电网114通过第二功率电子装置349与到公共电网114的接口234相连。

也被称作电解槽224的电解装置224被构造为将作为原材料或者辅助材料的电能和水转化为化学反应能226和氧化剂228。化学反应能226和氧化剂228作为流体、例如气态地存在。在图3中所示出的实施例中，化学反应能226以氢（H₂）的形式存在，而氧化剂228以氧（O₂）的形式存在。大致来讲，化学反应能226被存储在用于化学反应能226的存储器340中，而氧化剂228被存储在用于氧化剂228的存储器342中。此外，在电解槽224中实施所述过程时还释放了热或热能。

在电解装置224中和在燃料电池单元232中形成的热被引到蓄热器346上，而且可以在那被用作加热能量或者被用于加热生活用水。

换句话说，作为在住宅建筑物中的蓄电池，这里建议的再生燃料电池系统100包括如下部件：电解单元224，用于将水裂解为氢226和氧228以及在例如使用光伏设施106的电流的情况下利用热量；燃料电池单元232，用于在使用在所述电解单元224中所产生的氢226和氧228的情况下进行复原（Rueckverstromung）以及产生热；各用于氢226和氧228的气体存储器340、342；和用于去离子的水的水箱344。可选地，未被示出的实施例具有附加的用于压缩流体（气体）的压缩单元。这样，所需要的储液罐可具有更小的容积。

示例性地，在具有3kW电解槽224和两个每个350巴的50升氢气箱340的系统设计中得到75kWh氢（2.3kg）的存储内容。在燃料电池232中进行复原时，得到>40 kWh_el。在这种情况下，该系统100还包括50升氧气箱342（同时350bar）和大约20升水箱344。

在光伏设施106的功率过剩的情况下，由电解单元224中的电流生产氢226和氧228，所述氢226和氧228可以任意长地被存储在所述两个气体箱340、342中。在此，存储器压力理想地与电解槽224的压力水平相调谐，所述电解槽224的压力水平节省了用于附加的压缩的能量花费。附加地，将电解槽224的余热例如用于产生热水是可能的。在家庭中或者在电网中有电力需求时将气体226、228（H₂和O₂）复原成重新被存储在水箱344中的水。在所述过程步骤中，热量利用也是可能的。

该实施方案理想地实现为闭合的系统，所述闭合的系统使得在没有附加的水处理或者气体净化的情况下的运行成为可能。

在可支配不仅使电解运行而且使燃料电池运行（可逆的燃料电池）成为可能的堆栈（Stack）时，结构空间的减少是可能的。气体存储器340、342的大小是任意地可适配的（因为与电解功率和燃料电池功率无关），而且借此使得与消耗分布图（Verbrauchsprofil）和可支配的光伏功率的理想的适配成为可能。

针对所介绍的系统的多个运行概念是可设想的。在住房的自供应的情况下，高的自给自足部分通过大的存储器是可能的。尤其是，超越白天－夜晚平衡的功率平衡是可能的。除此之外，电网稳定化是可实现的。通过该存储系统变得可能的是：给每个住房都安装较大的光伏设施106，所述较大的光伏设施106超过自消耗并且在弱的光伏功率时可以将电能从存储系统馈入到电网中。这在与时间有关的赔偿时是特别有吸引力的。在另一情形下，能量供应方凭付款来获得对存储器和充电/放电策略的访问，废热可以在本地被利用。经此，再生蓄能设备100可以有针对性地被用于电网114的电网稳定化。所介绍的发明思想的一个方面是具有用于通过多个小单元的分散式散布来进行长时间存储的潜力的长时间存储器。

作为一个方面，图3中的该实施例示出了再生燃料电池系统100与光伏设施106的连结（Verknuepfung）、到电网114上的连接以及到住房的本地的蓄热器346的连接的简图，所述再生燃料电池系统100包括电解单元224和燃料电池单元232以及用于氢、氧和水的存储器340、342、344。

图4示出了按照本发明的实施例的用于暂存再生能量供应系统的电能的方法450的流程图。该能量供应系统可以是在图1中所示出的再生能量供应系统104的变型方案。该方法450包括：通过到再生能量供应系统的接口来接收电能的步骤452；执行电解以便将电能转化为化学反应能和氧化剂的步骤454；和将化学反应能存储在储液罐中的步骤456。化学反应能被产生为流体。

在这里所示出的变型方案中，该方法450具有在使用光伏设施的情况下产生电能的可选的步骤458。此外，该方法450还具有将化学反应能转化为被转化回的电能的可选的步骤460和提供所转化回的电能的可选的步骤462。在此，可以将所转化回的能量提供给公共电网并且作为补充或者可替换地提供给房屋电网或家庭。

在实施例中，在执行所述电解的步骤454中和在转化化学反应能的可选的步骤460中产生热，所述热可在家庭中被利用、可被存储在存储器中或者可被馈入到远距离供热网。

只示例性地选择所描述的并且在附图中所示出的实施例。不同的实施例可以完全地或者关于各个特征彼此相组合。也可以通过一个实施例的特征来补充另一实施例。

此外，这里所介绍的方法步骤可以被重复以及以不同于所描述的顺序被实施。

如果实施例包括在第一特征与第二特征之间的“和/或”连结，那么这要被解读为：使得该实施例按照一实施形式不仅具有第一特征而且具有第二特征，而且按照另一实施形式或者只具有第一特征或者只具有第二特征。

Claims (14)

1.用于暂存能量供应系统（104、114）的电能（116、118）的方法，其中所述方法具有如下步骤：

通过到所述能量供应系统（104、114）的接口（222）来接收电能（116、118）；

执行电解，以便在使用所述电能（116、118）的情况下将来自水箱（344）的水转化为化学反应能（226）和氧化剂（228）；

将所述化学反应能（226）和所述氧化剂（228）存储在储液罐中；

将所述化学反应能（226）和所述氧化剂（228）转化为被转化回的电能（120）；并且

将在转化为被转化回的电能（120）的步骤中出现的水存储在水箱（344）中；

其中关于所述化学反应能（226）、所述氧化剂（228）和所述水，形成闭合系统。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在接收电能（116、118）的步骤中，所述电能（116、118）通过到作为能量供应系统（104、114）的光伏设施（106）的接口（222）来被接收。

3.根据权利要求2所述的方法，所述方法具有在使用所述光伏设施（106）的情况下产生电能（116、118）的步骤。

4.根据上述权利要求之一所述的方法，所述方法具有提供所转化回的电能（120）的步骤。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，在转化的步骤中，在燃料电池（232）中产生化学反应能（226）与氧化剂（228）的反应，以便在提供所转化回的电能（120）的步骤中提供所转化回的电能（120）和/或在所述燃料电池中出现的热。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，在提供所转化回的电能（120）的步骤中，在到公共的、本地的或者私营的电网（114）的和/或到房屋电网的接口（234）上提供所转化回的电能（120）。

7.根据权利要求1至3之一所述的方法，其中，在接收电能（116、118）的步骤中，所述电能（116、118）通过到公共电网（114）的接口被接收。

8.根据权利要求1至3之一所述的方法，其中，在执行电解的步骤中，水被裂解为氢（226）和氧（228），和/或提供在执行电解时出现的热。

9.根据权利要求1至3之一所述的方法，其中，在存储的步骤中，所述在执行电解时出现的热被存储。

10.根据权利要求1至3之一所述的方法，所述方法具有在燃料电池运行时利用热量的步骤。

11.用于能量供应系统（104、114）的再生蓄能设备，其中所述再生蓄能设备（100）具有如下特征：

用于接收所述能量供应系统（104、114）的电能（116、118）的接口（222）；

用于在使用电能（116、118）的情况下将水转化为化学反应能（226）和氧化剂（228）的电解装置（224）；

用于存储所述化学反应能（226）和所述氧化剂（228）的储液罐；

用于将所述化学反应能（226）和所述氧化剂（228）转化为被转化回的电能（120）的燃料电池（232）；和

用于存储供应给所述电解装置（224）的水和在所述燃料电池（232）处在转化为被转化回的电能（120）时出现的水的水箱（344）；

其中关于所述化学反应能（226）、所述氧化剂（228）和所述水，形成闭合系统。

12.按照权利要求11所述的再生蓄能设备（100），所述再生蓄能设备（100）具有用于提供所转化回的电能（120）的接口（234）。

13.按照权利要求11至12之一所述的再生蓄能设备（100），其用于存储和/或缓冲针对建筑物的电能（116、118）。

14.按照权利要求13所述的再生蓄能设备（100），其中，所述针对建筑物的电能（116、118）是针对房屋（102）的电能（116、118）。