DE102009031179A1

DE102009031179A1 - Anlage zur Erzeugung von Strom

Info

Publication number: DE102009031179A1
Application number: DE102009031179A
Authority: DE
Inventors: Stefan Eitzenhöfer; Jürgen Dr. Pawlik
Original assignee: Viessmann Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Viessmann Werke GmbH and Co KG
Priority date: 2009-06-29
Filing date: 2009-06-29
Publication date: 2010-09-23

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Erzeugung von Strom, umfassend eine Vorrichtung zur Erzeugung von Wechselstrom (1), die über eine Schaltstelle (2) mit einem Wechselstromnetz (3) verbindbar ausgebildet ist. Nach der Erfindung ist vorgesehen, dass bei unterbrochener Verbindung an der Schaltstelle (2) zum Wechselstromnetz (3) die Vorrichtung zur Erzeugung von Wechselstrom (1) mit einem elektrischen Verbraucher (4) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Erzeugung von Strom gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine Anlage zur Erzeugung von Strom der eingangs genannten Art ist nach der DE 102 07 560 A1 bekannt. Diese besteht aus einer Vorrichtung zur Erzeugung von Wechselstrom (zum Beispiel Brennstoffzelle bzw. Brennstoffzellenstack, Photovoltaikanlage, Blockheizkraftwerk oder auch Wasserkraftanlage, alle Anlagen gegebenenfalls mit Stromrichter zur Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom), die über eine Schaltstelle (so genannter Lasttrennschalter – siehe zum. Beispiel Bezugszeichen 7 in 3 der DE 102 07 560 A1 ) mit einem Wechselstromnetz verbindbar ausgebildet ist. Letzteres ist typischer Weise ein örtliches Stromnetz eines Netzanbieters, wobei die regelmäßig selbsttätig ausgebildete Schaltstelle zum Beispiel bei einem Störfall im örtlichen Stromnetz zum Abschalten der Vorrichtung zur Erzeugung von Wechselstrom führt.
Genauer betrachtet, befasst sich die DE 102 07 560 A1 mit dem Problem, dass es in einem Gebäude, in dem (wie üblich) elektrische Verbraucher wie Lampen, Waschmaschinen, Kaffeemaschinen oder dergleichen vorhanden sind, zu einem so genannten, unerwünschten Inselbetrieb kommen kann, dann nämlich, wenn die elektrischen Verbraucher gerade soviel Strom verbrauchen, wie die Vorrichtung zur Erzeugung von Wechselstrom zur Verfügung stellt. Bei dieser Konstellation ist die selbsttätige Schaltstelle nicht mehr in der Lage, eine Störung im Wechselstromnetz zu erkennen: Die DE 102 07 560 A1 zeigt eine messtechnische Lösung, um dieses Problem zu lösen und für ein sicheres Abschalten der Brennstoffzelle zu sorgen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Anlage zur Erzeugung von Strom der eingangs genannten Art für ein verbessertes Betriebsverhalten bei einer Störung des Wechselstromnetzes zu sorgen.
Diese Aufgabe ist mit einer Anlage zur Erzeugung von Strom der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
Nach der Erfindung ist also vorgesehen, dass bei unterbrochener Verbindung an der Schaltstelle zum Wechselstromnetz die Vorrichtung zur Erzeugung von Wechselstrom mit einem elektrischen Verbraucher verbunden ist.
Mit anderen Worten ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Vorrichtung zur Erzeugung von Wechselstrom ”im Störfall” (also dann, wenn die Vorrichtung aus irgendeinem Grund vom Wechselstromnetz abgekoppelt wird bzw. werden muss, also zum Beispiel bei einem Ausfall des Wechselstromnetzes) mit einem elektrischen Verbraucher verbunden wird und in einen so genannten Inselbetrieb übergeht. Dabei ist zu beachten, dass der elektrische Verbraucher gemäß der Erfindung und im Unterschied zum vorgenannten elektrischen Verbraucher gemäß der DE 102 07 560 A1 (dort ohmsche oder lokale Last genannt – siehe Bezugszeichen 6 in 3) nicht irgendein im Gebäude angeordneter und insbesondere der selbsttätigen Schaltstelle nachgeordneter Verbraucher, sondern ein solcher, der Teil der Anlage zur Erzeugung von Strom selbst ist. Dieser Verbraucher kann eine Vorrichtung sein, die speziell zur Aufnahme der von der Vorrichtung zur Erzeugung von Wechselstrom im ”Störfall” erzeugten Energie dient. Er kann aber auch weitere interne Stromverbraucher umfassen, insbesondere solche, die für den Betrieb der Anlage oder der Heizungsanlage notwendig sind. Wie ersichtlich, wird die Vorrichtung zur Erzeugung von Wechselstrom somit erfindungsgemäß bei einem ”Störfall” im Wechselstromnetz gerade nicht abgeschaltet; vielmehr wird die erzeugte Energie anderweitig von der Anlage zur Erzeugung von Strom im weitesten Sinne selbst genutzt.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung zur Erzeugung von Wechselstrom eine Brennstoffzelle und einen Stromrichter umfasst. Da Brennstoffzellen möglichst gleichmäßig betrieben werden sollten, hat die erfindungsgemäße Lösung dabei den großen Vorteil, dass Störungen im Wechselstromnetz (insbesondere natürlich kurzzeitige Störungen) ohne Probleme abgefangen werden können, und zwar ohne die Brennstoffzelle unnötig durch Aus- und wieder Einschalten zu belasten, was zu einer schnellen Degradation (Alterung) zum Beispiel des Brennstoffzellenstacks führen kann. Ferner werden energetische Verluste durch das erfindungsgemäß vermeidbare An- bzw. Abfahren der Brennstoffzellenanlage vermieden. Schließlich kann das Gebäude bei einer ”Störung” des Wechselstromnetzes auch weiterhin mit Wärme (und Strom) versorgt werden.
Die erfindungsgemäße Anlage zur Erzeugung von Strom einschließlich ihrer vorteilhaften Weiterbildungen gemäß der abhängigen Patentansprüche wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigt (stark schematisiert)
1 die erfindungsgemäße Anlage zur Erzeugung von Strom mit einem Wasserspeicher zur Aufnahme der im Störfall vom als elektrisches Heizelement ausgebildeten Verbraucher abgegebenen Wärme;
2 eine Anlage zur Erzeugung von Strom gemäß dem Stand der Technik (siehe DE 102 07 560 A1 ).
Die in den 1 (Erfindung) und 2 (Stand der Technik) dargestellte Anlage zur Erzeugung von Strom (jeweils gestrichelte Linie) besteht jeweils aus einer Vorrichtung zur Erzeugung von Wechselstrom 1 (im dargestellten Fall eine Brennstoffzelle plus Stromrichter 7, alternativ kommt aber auch eine Wärmekraftmaschine mit Wechselstromgenerator in Betracht), die im Normalbetrieb über eine Schaltstelle 2 (auch ENS [Einrichtung zur Netzüberwachung mit zugeordneten Schaltorganen] genannt) mit einem Wechselstromnetz 3 (typischer Weise ein örtliches Stromnetz) verbunden ist. Zwischen der Brennstoffzelle und der Schaltstelle 2 ist ein Stromrichter 7 angeordnet, um den von der Brennstoffzelle erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom umwandeln zu können (beim Aufbau mit einer Wärmekraftmaschine mit Wechselstromgenerator (nicht dargestellt) kann ein Stromrichter entweder entfallen oder ein solcher erforderlich sein, der zum Beispiel die Spannung und Netzfrequenz dem Stromnetz angleicht).
Wesentlich für die in 1 dargestellte Anlage ist nun, dass bei unterbrochener Verbindung an der Schaltstelle 2 zum Wechselstromnetz 3 die Vorrichtung zur Erzeugung von Wechselstrom 1 mit einem elektrischen Verbraucher 4 verbunden ist bzw. wird.
Dabei ist zur Verbindung der Vorrichtung zur Erzeugung von Wechselstrom 1 mit dem elektrischen Verbraucher 4 eine Schaltung 5 vorgesehen, die wahlweise vor (nicht extra dargestellt) oder in der Schaltstelle 2 (siehe 1) angeordnet ist. Die Schaltstelle 2 ist dabei vorzugsweise als selbsttätig Schaltstelle ausgebildet, d. h. sie ist auf Basis entsprechender Signale bzw. Informationen in der Lage, die Verbindung zum Wechselstromnetz herzustellen oder zu trennen. Alternativ, aber weniger vorteilhaft, könnte aber auch eine manuell zu betätigende Schaltstelle in Betracht kommen.
Wie weiterhin aus 1 ersichtlich, ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass der elektrische Verbraucher 4 ein Heizelement zur Wärmeabgabe an einen Wärmespeicher bzw. Wasserspeicher 6 (insbesondere Warmwasserspeicher einer mit der Brennstoffzellenanlage verbundenen Heizungsanlage) umfasst oder als ein solches ausgebildet ist. Damit die Anlage weiter in Betrieb bleibt, ist es in der Regel erforderlich, dass anlageninterne Komponenten weiter mit Strom versorgt werden. Der elektrische Verbraucher 4 kann damit auch solche Komponenten umfassen.
Alternativ (nicht dargestellt) kann der elektrische Verbraucher 4 aber auch als Element zur Wärmeabgabe an die Anlage zur Erzeugung von Strom, insbesondere als in der Anlage zur Erzeugung von Strom bzw. im Stromrichter 7 integrierter Heizwiderstand ausgebildet sein. Die entstehende Wärme wird in diesem Fall über die Zu- oder Abluft- oder Wasserkühlung der Anlage bzw. des Stromrichters wieder an das Anlagensystem abgegeben.
Weiterhin (ebenfalls nicht dargestellt) kann der elektrische Verbraucher 4 auch als Energiespeicher (zum Beispiel Akkumulator oder dergleichen) ausgebildet sein.
Die erfindungsgemäße Anlage funktioniert, zusammengefasst ausgedrückt, also wie folgt: Im Normalbetrieb liefert die Vorrichtung zur Erzeugung von Wechselstrom 1 bzw. die Brennstoffzelle über den Stromrichter 7 und die selbsttätige Schaltstelle 2 den erzeugten Strom an das Wechselstromnetz 3 und/oder an das Gebäude. Kommt es nun bei einem Störfall im Wechselstromnetz 3 dazu, dass die selbsttätige Schaltstelle 2 für eine Trennung zwischen dem Wechselstromnetz 3 und der Vorrichtung zur Erzeugung von Wechselstrom 1 bzw. der Brennstoffzelle sorgt, so wird über die erfindungsgemäße Schaltung 5 gleichzeitig dafür gesorgt, dass die Vorrichtung zur Erzeugung von Wechselstrom 1 bzw. die Brennstoffzelle weiter Strom produzieren kann, also nicht abgeschaltet werden muss. Der anfallenden Strom wird, solange der Störfall anhält, mittels des elektrischen Verbrauchers 4 für anlageninterne bzw. brennstoffzellenanlageninterne Zwecke genutzt. Sollte die Störung länger andauern, kann die Vorrichtung zur Erzeugung von Wechselstrom 1 bzw. die Brennstoffzelle auch abgeschaltet werden; in diesem Fall aber nicht schlagartig und damit für die Brennstoffzelle in ungünstiger Weise, sondern langsam und kontrolliert.

1: Vorrichtung zur Erzeugung von Wechselstrom
2: Schaltstelle
3: Wechselstromnetz
4: elektrischer Verbraucher
5: Schaltung
6: Wasserspeicher
7: Stromrichter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10207560 A1 [0002, 0002, 0003, 0003, 0007, 0012]

Claims

Anlage zur Erzeugung von Strom, umfassend eine Vorrichtung zur Erzeugung von Wechselstrom (1), die über eine Schaltstelle (2) mit einem Wechselstromnetz (3) verbindbar ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass bei unterbrochener Verbindung an der Schaltstelle (2) zum Wechselstromnetz (3) die Vorrichtung zur Erzeugung von Wechselstrom (1) mit einem elektrischen Verbraucher (4) verbunden ist.
Anlage zur Erzeugung von Strom nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbindung der Vorrichtung zur Erzeugung von Wechselstrom (1) mit dem elektrischen Verbraucher (4) eine Schaltung (5) vorgesehen ist.
Anlage zur Erzeugung von Strom nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (5) wahlweise vor oder in der Schaltstelle (2) angeordnet ist.
Anlage zur Erzeugung von Strom nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltstelle (2) als selbsttätige Schaltstelle ausgebildet ist.
Anlage zur Erzeugung von Strom nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Verbraucher (4) mindestens einen anlageninternen Verbraucher umfasst oder als solcher ausgebildet ist.
Anlage zur Erzeugung von Strom nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Verbraucher (4) mindestens einen für den Weiterbetrieb der Anlage und/oder für eine weitere Wärmeversorgung eines Gebäudes erforderlichen Verbraucher umfasst oder als solcher ausgebildet ist.
Anlage zur Erzeugung von Strom nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Verbraucher (4) wahlweise ein Element zur Wärmeabgabe an die Anlage zur Erzeugung von Strom umfasst oder als solches ausgebildet ist.
Anlage zur Erzeugung von Strom nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Verbraucher (4) mindestens einen Energiespeicher umfasst oder als solcher ausgebildet ist.
Anlage zur Erzeugung von Strom nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Verbraucher (4) mindestens ein Heizelement zur Wärmeabgabe an einen Wasserspeicher (6) umfasst oder als solches ausgebildet ist.
Anlage zur Erzeugung von Strom nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Erzeugung von Wechselstrom (1) mindestens eine Brennstoffzelle und mindestens einen vorzugsweise mit der Schaltung (5) versehenen Stromrichter (7) umfasst.
Anlage zur Erzeugung von Strom nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Erzeugung von Wechselstrom (1) mindestens eine Wärmekraftmaschine, mindestens einen Wechselstromgenerator und gegebenenfalls mindestens einen Stromrichter (7) umfasst.
Verfahren zum Betrieb einer Anlage zur Erzeugung von Strom nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei unterbrochener Verbindung an der Schaltstelle (2) zum Wechselstromnetz (3) die Vorrichtung zur Erzeugung von Wechselstrom (1) mit dem elektrischen Verbraucher (4) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Erzeugung von Wechselstrom (1) nach einer Trennung vom Wechselstromnetz (3) weiterhin wahlweise mindestens einen für den Weiterbetrieb der Anlage und/oder für eine weitere Wärmeversorgung des Gebäudes erforderlichen Verbraucher (4) versorgt.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Erzeugung von Wechselstrom (1) bei einer Trennung vom Wechselstromnetz (3) und fehlendem Wärmebedarf eines Wärmespeichers (6) die Anlage kontrolliert abschaltet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Erzeugung von Wechselstrom (1) sich nach einer Trennung vom Wechselstromnetz (3) wiederaufschaltet, sobald die Ursache der Trennung vom Wechselstromnetz (3) weggefallen ist.