DE10032528A1 - Verfahren zur Wärmeversorgung eines Gebäudes oder Gebäudeteils - Google Patents

Abstract

Das Verfahren dient zur Wärmeversorgung eines Gebäudes oder Gebäudeteils. Es wird Brennstoff in eine Heizungs- und Warmwasserbereitungsanlage zur Wärmeerzeugung verbrannt. Der Brennstoff ist durch Elektrolyse aus Wasser gewonnen. Die für die Elektrolyse erforderliche elektrische Energie wird mittels fotovoltaischer Zellen gewonnen. Die Zwischenspeicherung des Wasserstoffs ermöglicht es, die Wärmeerzeugung erst dann vorzunehmen, wenn die Wärme benötigt wird, unabhängig von der Sonneneinstrahlung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmeversorgung eines Gebäudes oder Gebäudeteils gemäß den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkma­ len sowie eine Anlage zur Ausführung dieses Verfahrens gemäß den im Ober­ begriff des Anspruchs 5 angegebenen Merkmalen.

Zur Raumheizung in Gebäuden und zur Warmwasserbereitung ist es bekannt, Brennstoff, beispielsweise Erdöl oder Erdgas, zu verbrennen. Die dadurch erzeugte Wärme wird über Wärmetauscher der Anlage zugeführt. Nachteilig bei diesem Verfahren ist es, dass fossile Brennstoffe verbrannt werden, die einer­ seits auf der Erde nur begrenzt zur Verfügung stehen und daher zunehmend knapper werden und dass andererseits durch die Verbrennung Kohlendioxid entsteht, das aufgrund des Treibhauseffektes zu Klimaveränderungen auf der Erde führt.

Energetisch günstiger ist es, die Wärmeversorgung eines Gebäudes oder Gebäu­ deteils durch Kraft-Wärmekopplung, also über die Abwärme, zur Verfügung zu stellen. Die vorerwähnten Probleme sind jedoch grundsätzlich die gleichen, so dass die Kraft-Wärmekopplung keine ursächliche Lösung sein kann. Im Übrigen kann die Kraft-Wärmekopplung nur in räumlicher Nähe des Kraftwerks erfol­ gen, ist also nicht überall anwendbar.

Weiterhin ist es bekannt, über sogenannte Sonnenkollektoren das für die Heizungs- und/oder Warmwasserbereitung benötigte Wasser direkt unter Aus­ nutzung der Sonnenenergie zu erwärmen. Nachteilig hierbei ist es jedoch, dass die Wärmeverfügbarkeit umgekehrt proportional zum Bedarf ist, d. h. dass insbesondere in den Wintermonaten, zumindest in nordeuropäischen Lagen, eine ausreichende Wärmeversorgung energetisch nicht sinnvoll möglich ist.

Weiter ist es bekannt, die Sonnenenergie mittels fotovoltaischer Zellen in elektrische Energie umzuwandeln. Die Speicherung der elektrischen Energie ist jedoch aufwendig, da die zur Verfügung stehenden Akkumulatoren teuer sind und auch erheblichen Raum zur Aufstellung benötigen.

Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu­ grunde, ein gattungsgemäßes Verfahren zur Wärmeversorgung eines Gebäudes oder Gebäudeteils so auszubilden, dass die vorerwähnten Nachteile weitgehend vermieden werden und dass ein autarkes System entsteht, das im Wesentlichen jahreszeitunabhängig betrieben werden kann. Das Verfahren soll darüber hinaus nach Möglichkeit auch unter weitgehender Nutzung vorhandener Heizungs­ anlagen anwendbar sein. Darüber hinaus soll eine entsprechende Energieumwandlungs- und Heizungsanlage zur Verfügung gestellt werden, die nach diesem Verfahren arbeitet.

Der verfahrensmäßige Teil dieser Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 ange­ gebenen Merkmale gelöst, der vorrichtungsmäßige durch die in Anspruch 5 angegebenen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung angegeben.

Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist es, die durch Umwandlung von Sonnenenergie gewonnene elektrische Energie zur Wasserstofferzeugung, insbesondere zur Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff ein­ zusetzen, mindestens den Wasserstoff zu speichern und diesen dann bei Bedarf zum Zwecke der Wärmeerzeugung zu verbrennen. Dabei können vorhandene Heizungs- und Warmwasserbereitungsanlagen, soweit sie verbrennend arbeiten, eingesetzt werden. Es ist also bei vorhandenen Häusern anlagenseitig nur wenig zu ändern. Bei Neubauten besteht der Vorteil darin, dass weitgehend auf er­ probte Technik zugegriffen werden kann und dass auch eine erst spätere Umrü­ stung möglich ist, wenn dies beispielsweise anfänglich noch nicht wirtschaftlich sein sollte. Gebäudeseitig außen sind dabei lediglich fotovoltaische Zellen vorzusehen, was regelmäßig auf den ansonsten ungenutzten Dachflächen eines Gebäudes erfolgen kann. Die so gewonnene elektrische Energie kann über leicht zu verlegende elektrische Leitungen beispielsweise in den Keller geführt wer­ den, wo dann Wasserstoff erzeugt, in einem Speicher zwischengespeichert und bei Bedarf der Heizungs- und Warmwasserbereitungsanlage zum Zwecke der Verbrennung zugeführt wird.

Grundsätzlich genügt die vorzugsweise elektrolytische Wasserstofferzeugung. Bevorzugt wird jedoch der Wasserstoff aus Wasser durch Elektrolyse erzeugt, wobei Wasserstoff und Sauerstoff in genau dem Verhältnis entstehen, in dem sie später wieder vollständig zu Wasser verbrannt werden können. Besonders zweckmäßig ist es, nicht nur den Wasserstoff, sondern auch den so erzeugten Sauerstoff zwischenzuspeichern, letzterer kann jedoch auch gefahrlos ins Freie geleitet werden. Zwar ist eine Verbrennung von Wasserstoff zu Wasser auch mit dem in der Umgebungsluft befindlichen Sauerstoff möglich, energetisch wesent­ lich günstiger ist es jedoch, die Zuführung reinen Sauerstoffs in stöchiometri­ schem Verhältnis, also zu einem Knallgasgemisch, da dann eine wesentlich heißere und energieintensivere Verbrennung des Wasserstoffs erfolgt, was den Wirkungsgrad der Anlage erhöht.

Zwar kann Wasserstoff durch metallische Bindung auch im Wesentlichen drucklos gespeichert werden, doch sind derartige Speicher noch recht kosten­ intensiv und nur bedingt reversibel. Aus diesem Grunde sieht die vorliegende Erfindung bevorzugt eine Druckspeicherung des Wasserstoffs und/oder des Sauerstoffs bzw. des Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisches vor. Hierzu ist ein Verdichter erforderlich, der bevorzugt ebenfalls durch in fotovoltaischen Zellen erzeugten Strom angetrieben wird. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, die zum Verdichterantrieb erforderlichen fotovoltaischen Zellen gesondert von denen zur Wasserstofferzeugung vorgesehenen zu betreiben. Die hierfür not­ wendigen Druckbehälter können praktisch beliebig häufig befüllt und entleert werden, wobei die beim Entspannen des Gases frei werdende Energie ggf. noch zusätzlich zur Krafterzeugung oder auch zu Kühlzwecken eingesetzt werden kann.

Es versteht sich, dass die Anlage eine geeignete elektronische Regelung beinhal­ tet, die die Einzelaggregate in der erforderlichen Weise ansteuert. Es ist ferner denkbar, die elektrische Energieerzeugung durch eine Windkraft- oder Wasser­ kraftanlage vorzusehen, wenn dies aufgrund der räumlichen Gegebenheiten vorteilhaft ist.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Energieumwandlungs- und Heizungsanlage in stark verein­ fachter Blockdiagrammdarstellung und

Fig. 2 eine weitere Ausführung der Erfindung in Darstellung nach Fig. 1.

Die in Fig. 1 dargestellte Anlage zur Energieumwandlung und Heizung besteht aus einer ersten Gruppe 1 fotovoltaischer Elemente, die vorzugsweise auf dem Dach des Gebäudes angeordnet und zur Hauptsonneneinstrahlungsrichtung, also vorzugsweise in Richtung Süden, oder der Einstrahlrichtung nachgeführt (z. B. mittels eines motorisch angetriebenen Drehtellers) ausgerichtet sind. Die in diesen Elementen erzeugte elektrische Energie wird einem Elektrolyseur 2 zugeführt, der beispielsweise im Keller oder in einem anderen Anlagenraum des Gebäudes angeordnet sein kann. Im Elektrolyseur 2 werden durch Elektrolyse aus Wasser Sauerstoff und Wasserstoff gewonnen, die mittels eines nachge­ schalteten Verdichters 3 einem Druckbehälter 4 zugeführt werden. Das im Druckbehälter 4 zwischengespeicherte Knallgas wird dann bei Wärmebedarf einer Heizungsanlage 5 zugeführt, die in an sich bekannter Weise einen Brenner 6 sowie einen Primärwärmetauscher 7 aufweist, in dem ein Wärmeträger, insbesondere Wasser, erwärmt wird. Dieses Wasser dient dann in an sich be­ kannter Weise zur Raumheizung oder auch zur Warmwasserbereitung, wie dies bei modernen Heizungsanlagen üblich ist.

Der Verdichter 3 wird durch eine zweite Gruppe 8 fotovoltaischer Elemente elektrisch versorgt. Es kann jedoch auch ein Teil der elektrischen Energie der von der ersten Gruppe 1 fotovoltaischer Elemente zum Antrieb des Verdichters 3 eingesetzt werden.

Der gesamten anhand von Fig. 1 dargestellten Anlage ist eine elektronische Regelung zugeordnet, welche dafür sorgt, dass der Energieumwandlungs-, Speicherungs- und Wärmegewinnungsprozess wie vorbeschrieben abläuft. Die in diesem Zusammenhang erforderlichen Nebenaggregate, wie beispielsweise Sicherheitsventile, Drosselventile, Spannungsstabilisatoren und dergleichen, sind hier nicht im Einzelnen beschrieben, jedoch Teil der Anlage.

Bei der anhand von Fig. 1 dargestellten Anlage wird ein Wasserstoff-Sauerstoff- Gemisch (Knallgas) erzeugt und zwischengespeichert. Je nach im Elektrolyseur eingesetzten Medium ist es denkbar, dass ggf. nur der Brennstoff, also im vorliegenden Fall nur Wasserstoff, verdichtet und gespeichert wird, wobei dann dem Brenner 6 zum Zwecke der Wärmeerzeugung Sauerstoff aus der umgeben­ den Luft zusammen mit dem Wasserstoff zugeführt wird.

In Fig. 2 ist eine alternative Anordnung dargestellt, die sich von der anhand von Fig. 1 beschriebenen dadurch unterscheidet, dass die im Elektrolyseur erzeugten Gase, hier Sauerstoff und Wasserstoff, getrennt verdichtet und gespeichert werden. Hierzu sind für den Sauerstoff ein zweiter Verdichter 9 sowie ein zweiter Druckbehälter 10 vorgesehen. Die Zusammenführung der Gase erfolgt zum Zwecke der Verbrennung innerhalb der Heizungsanlage 5, und zwar im stöchiometrischen Verhältnis, vorzugsweise mit geringem Sauerstoffüberschuss. Der zweite Verdichter 9 wird ebenfalls über die zweite Gruppe 8 fotovoltaischer Elemente elektrisch versorgt. Diese Anordnung ist zudem auch für solche Verfahren einsetzbar, bei denen neben dem Wasserstoff ein weiteres, für die spätere Verbrennung nicht benötigtes Gas erzeugt wird, aufzufangen und zu speichern. In diesem Falle erfolgt in dem Druckbehälter 10 zwar eine Zwischen­ speicherung, nicht jedoch eine Zuführung zum Brenner 6. Es muss dann für eine alternative Nutzung gesorgt werden, beispielsweise durch eine entsprechende industrielle Nutzung.

Bezugszeichenliste

1

erste Gruppe fotovoltaischer Elemente

2

Elektrolyseur

3

Verdichter

4

Druckbehälter

5

Heizungsanlage

6

Brenner

7

Primärwärmetauscher

8

zweite Gruppe fotovoltaischer Elemente

9

zweiter Verdichter

10

zweiter Druckbehälter

Claims (8)

1. Verfahren zur Wärmeversorgung eines Gebäudes oder Gebäudeteils, bei dem ein Brennstoff in einer Heizungs- und/oder Warmwasserbereitungsanlage (5) zur Erzeugung von Wärme verbrannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Gebäude oder in seiner räumlichen Umgebung mittels fotovoltaischer Zellen (1) elektrische Energie gewonnen wird, mittels der Wasserstoff gewon­ nen wird, der in einem Speicher (4) zwischengespeichert und bei Bedarf in der Heizungs- und/oder Warmwasserbereitungsanlage (5) verbrannt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus Wasser durch Elektrolyse Wasserstoff und Sauerstoff gewonnen wird, die gespeichert und bei Bedarf vorzugsweise im stöchiometrischen Verhältnis zusammen verbrannt werden.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, dass Wasserstoff und Sauerstoff getrennt voneinander zwischengespei­ chert und erst kurz vor dem oder beim Verbrennen gemischt werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Speicherung des oder der Gase unter Druck erfolgt und dass zum Komprimieren mindestens ein elektrisch angetriebener Verdichter (3, 9) vorgesehen ist, dessen Antriebsenergie mittels der fotovoltaischen Elemente (8) gewonnen wird.

5. Energieumwandlungs- und Heizungsanlage für ein Gebäude oder ein Gebäudeteil, mit einem Brenner (6), mit mindestens einem diesem zugeordneten Primärwärmetauscher (7), dadurch gekennzeichnet, dass fotovoltaische Elemen­ te (1) vorgesehen sind, die mindestens einen Elektrolyseur (2) elektrisch ver­ sorgen, dass eine Vorrichtung (3, 4) mindestens zur Speicherung des im Elek­ trolyseur (2) erzeugten Wasserstoffs vorgesehen ist und dass Mittel zum Zufüh­ ren des Wasserstoffs zum Brenner (6) vorgesehen sind.

6. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Speicherung des im Elektrolyseur (2) erzeugten Sauerstoffs sowie Mittel zum Zuführen des Sauerstoffs zum Brenner (6) vorgesehen sind.

7. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, dass mindestens ein elektrisch angetriebener Verdichter (3, 9) vor­ gesehen ist, welcher Wasserstoff und/oder Sauerstoff in mindestens einen Druckspeicher (4, 10) fördert.

8. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Verdichter (3, 9) mittels der fotovoltaischen Elemente (8) mit elektrischer Energie versorgt wird.