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Die Erfindung betrifft eine Heizungsanlage mit mindestens einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage, mindestens einem Zusatzheizer und mindestens einem Wärmespeicher. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben insbesondere einer solchen Heizungsanlage.
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Im Folgenden wird unter einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage eine Anlage verstanden, die an einem ersten Ausgang ein Äquivalent zu einer Kraft, wie beispielsweise ein mechanisch rotierendes Teil oder eine einen Strom liefernde elektrische Spannung, und an einem anderen Ausgang Wärme bereitstellt. Unter einer Brennstoffzellenheizanlage wird eine spezielle Kraft-Wärme-Kopplungsanlage verstanden, die eine Brennstoffzellenanlage mit einem eine oder mehrere Brennstoffzellen enthaltenden Brennstoffzellenstack sowie einen Nachbrenner aufweist. In der Brennstoffzellenanlage wird eine elektrische Spannung und gegebenenfalls ein elektrischer Strom in der Brennstoffzelle und Wärme in der Brennstoffzelle und im Nachbrenner erzeugt.
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Stand der Technik
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In einer Heizungsanlage mit einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage wird, z.B. durch eine Brennstoffzellenanlage, Strom erzeugt, wobei die bei der Stromproduktion entstandene Abwärme einer weiteren Verwendung, z.B. einem Heizkreis für eine Raumbeheizung und/oder einem Warmwassersystem, zur Verfügung gestellt wird. Hierbei kann es zu gewissen Tages- oder Jahreszeiten geschehen, dass ein momentaner Wärmebedarf, d.h. die Wärme, die für die Raumbeheizung und/oder für das Warmwassersystem benötigt wird, die bei der Stromerzeugung entstandene Abwärme übersteigt.
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Die
DE 10 2010 001 011 A1 offenbart eine Anlage mit einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage in der Form einer Brennstoffzellenheizanlage, bei der ein erster Anteil eines ersten Brennstoffes in mindestens einer Brennstoffzelle einer Brennstoffzellenanlage der Kraft-Wärme-Kopplungsanlage elektrochemisch umgesetzt wird, wodurch eine elektrische Leistung und Wärme erzeugt wird, wobei ein zweiter Anteil des ersten Brennstoffes, der die Brennstoffzelle ohne Umsetzung verlässt, nach dem Austritt aus der Brennstoffzelle in einem Nachbrenner der Brennstoffzellenanlage verbrannt und dabei Wärme erzeugt wird, wobei in einem Zusatzheizgerät ein zweiter Brennstoff verbrennbar ist und dabei Wärme erzeugbar ist und wobei an einem optimalen Betriebspunkt der Brennstoffzelle ein optimaler erster Anteil des ersten Brennstoffes umsetzbar ist.
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Wird eine Brennstoffzellenanlage zur Stromerzeugung ohne Wärmeauskopplung betrieben, so wird versucht, einen möglichst hohen Anteil des zugeführten Brennstoffs elektrochemisch reagieren zu lassen, ohne dass es zu einer Alterung der Brennstoffzelle kommt. Zur Erzeugung einer gewünschten elektrischen Leistung wird also möglichst wenig Brennstoff zugeführt. Es muss ein möglichst hoher Anteil an Brennstoff elektrochemisch umgesetzt werden, um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erzielen, wobei sich der Wirkungsgrad auf die elektrische Leistungsabgabe pro zugeführte Brennstoffmenge bezieht. Auf der anderen Seite muss aber, um eine Alterung zu vermeiden, die Brennstoffzellenanlage, die üblicherweise eine Vielzahl von Brennstoffzellen aufweist, überstöchiometrisch betrieben werden. Das heißt, dass mehr Brennstoff der Anode und mehr Oxidationsmittel der Kathode zugeführt werden muss, als dort elektrochemisch reagiert. Hierdurch lässt sich eine Unterversorgung einzelner Elektroden oder Elektrodenbereiche vermeiden. Eine Unterversorgung führt zu unerwünschten Nebenreaktionen, zu ungleicher elektrischer Spannungs- und gegebenenfalls elektrischer Stromverteilung und zu einer ungleichen Temperaturverteilung in den Brennstoffzellen, wodurch die Brennstoffzellen altern. An einem optimalen Betriebspunkt der Brennstoffzelle wird ein maximal möglicher Anteil an Brennstoff in den Brennstoffzellen elektrochemisch umgesetzt, ohne dass es zu einer schnellen Alterung der Brennstoffzellen kommt. Für den Betrieb bei Volllast und für verschiedene Teillastzustände können jeweils optimale Betriebspunkte festgelegt werden. Der in den Brennstoffzellen nicht umgesetzte, unverbrauchte Brennstoff kann rezirkuliert oder in einem Nachbrenner verbrannt werden. Die in dem Nachbrenner erzeugte Wärme wird dem Gesamtwirkungsgrad zugerechnet.
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Da es sich bei dem optimalen Betriebspunkt um einen Kompromiss zwischen dem elektrischen Wirkungsgrad und einer Alterung der Brennstoffzellen handelt, ist eine Alterung am optimalen Betriebspunkt der Brennstoffzelle nicht minimal. Unter Alterung wird hier ein Rückgang des Wirkungsgrads oder der Leistung mindestens einer Brennstoffzelle über die Zeit verstanden, der verschiedene Ursachen haben kann.
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In der
DE 10 2010 001 011 A1 wird vorgeschlagen, beim Betrieb der Kraft-Wärme-Kopplungsanlage insbesondere der Brennstoffzellenanlage, den Wirkungsgrad der Kraft-Wärme-Kopplungsanlage im Wesentlichen unverändert zu lassen und eine Alterung der Brennstoffzellen zu verringern. Insbesondere soll die Kraft-Wärme-Kopplungsanlage mit ihrer Regelung bei einem Wärmebedarf, der höher ist als die Wärme, die an einem optimalen Betriebspunkt der Brennstoffzelle durch die Brennstoffzellenanlage erzeugbar ist, den ersten Anteil des ersten Brennstoffes erniedrigen, so dass mehr erster Brennstoff als an dem optimalen Betriebspunkt der Brennstoffzelle im Nachbrenner verbrennt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung die Effizienz einer solchen Heizungsanlage weiter zu verbessern ohne eine verstärkte Alterung herbeizuführen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Lösung der Aufgabe gelingt, wenn ein vorhandener Wärmespeicher als Wärmepuffer ausgelegt ist. Auf diese Weise ist es möglich, die Zahl der Abschaltzyklen drastisch zu verringern, wodurch die Alterung gehemmt wird. Trotzdem lässt sich die in der Kraft-Wärme-Kopplungsanlage enthaltene Brennstoffzellenanlage in weiten Strecken auf ihrer maximalen elektrischen Leistung betreiben. Unter der maximalen elektrischen Leistung soll die Nennleistung verstanden werden, die dem, dem in der Brennstoffzellenanlage angeordneten Brennstoffzellenstack nachgeschalteten Wechselrichter maximal entnommen werden kann, ohne die Brennstoffzelle zu zerstören. Unter einem Wechselrichter soll eine Einrichtung verstanden werden, die den von den Brennstoffzellen abgegebenen Gleichstrom in einen Wechselstrom wandeln kann.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen der Heizungsanlage nach dem Hauptanspruch möglich. So gelingt das Einfügen des Wärmepuffers schaltungstechnisch einfach, wenn der Wärmepuffer zwischen die Kraft-Wärme-Kopplungsanlage und den Zusatzheizer geschaltet ist. Das Zusatzheizgerät kann ein Kessel, eine Therme oder ein Brenner sein. Es kann mit der Brennstoffzellenanlage in einem Gerät integriert oder als ein separates Gerät ausgebildet sein. Insbesondere können die Brennstoffzellenanlage und das Zusatzheizgerät Komponenten gemeinsam nutzen, z. B. einen Wärmetauscher, eine Brennstoffzufuhr oder die Steuerung beziehungsweise die Regelung.
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Eine weitere Vereinfachung gelingt, wenn der Wärmepuffer einen oberen Bereich mit mindestens zwei Anschlüssen und einen unteren Bereich mit mindestens zwei Anschlüssen aufweist und die Kraft-Wärme-Kopplungsanlage mit einem Warmwasserausgang an einen oberen Anschluss des Wärmepuffers und mit einem Kaltwassereingang an einen unteren Anschluss des Wärmepuffers angeschlossen ist.
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Darüber hinaus vereinfacht sich dieser Schaltung, wenn der Wärmepuffer einen oberen Bereich mit mindestens zwei Anschlüssen und einen unteren Bereich mit mindestens zwei Anschlüssen aufweist und der Zusatzheizer mit einem Warmwassereingang an einen oberen Anschluss des Wärmepuffers und mit einem Kaltwasserausgang an einen unteren Anschluss des Wärmepuffers angeschlossen ist.
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Die Wasserströme, insbesondere die Warmwasserströme lassen sich dann feinfühlig regulieren, wenn der Wärmepuffer mit dem Zusatzheizer über ein 3-Wege-Mischventil verbunden ist.
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Die Kontrolle des Wärmepuffers gelingt, wenn er mindestens einen oberen und/oder mindestens einen unteren Temperatursensor aufweist. Über den oberen Temperatursensor kann insbesondere der Warmwasserbereich des Wärmepuffers überwacht werden, während ein weiterer Temperatursensor im unteren, kalten Bereich angeordnet ist.
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Bevorzugt kann der Zusatzheizer direkt und/oder indirekt mit einem Brauchwasserbehälter und/oder einem oder mehreren Heizkreisen verbunden sein.
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Die Effizienz der Heizungsanlage lässt sich weiter steigern, wenn die Kraft-Wärme-Kopplungsanlage mindestens einen Reformer zum Aufspalten zugeführten Brennstoffs besitzt, dem zusätzlich Wasser zuführbar ist. Unter einem Reformer wird eine Einrichtung verstanden, der beispielsweise Erdgas zugeführt werden kann, und die zumindest teilweise das Erdgas in Wasserstoff, Kohlenwasserstoff, Kohlenmonoxid und/oder Kohlendioxid transformiert werden kann.
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Wird das, insbesondere dem Reformer zuführbare Wasser als Kondenswasser aus mindestens einem Wärmetauscher der Heizungsanlage gewonnen und einem Kondenswasserbehälter zugeführt, kann auf einen äußeren Wasseranschluss für die Kraft-Wärme-Kopplungsanlage ganz oder teilweise verzichtet werden.
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Die zur Verfügung stehende Kondenswassermenge im Kondenswasserbehälter lässt sich einfach ermitteln, wenn der Kondenswasserbehälter einen Füllstandssensor aufweist.
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Eine Effizienzsteigerung wird auch durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Heizungsanlage, die mindestens eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage, mindestens einen Zusatzheizer und mindestens einen Wärmepuffer aufweist, dann erreicht, wenn der Zusatzheizer warmes Heizwasser nur dann vom Wärmepuffer bezieht, wenn die Rücklauftemperatur des beim Zusatzheizer ankommenden Heizwassers kleiner ist als eine Temperatur in einem oberen Bereich des Wärmepuffers.
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Ferner gelingt die Effizienzsteigerung beim Betreiben einer Heizungsanlage, die mindestens eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage, mindestens einen Zusatzheizer und mindestens einen Wärmepuffer aufweist, dann, wenn der Zusatzheizer warmes Heizwasser nur dann vom Wärmepuffer bezieht, wenn die Rücklauftemperatur des beim Zusatzheizer ankommenden Heizwassers kleiner ist als eine Temperatur in einem unteren Bereich des Wärmepuffers.
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Außerdem wird eine Effizienzsteigerung auch durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Heizungsanlage, die mindestens eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage, mindestens einen Zusatzheizer und mindestens einen Wärmepuffer aufweist, erreicht, wenn die Kraft-Wärme-Kopplungsanlage eine elektrische Leistung bereitzustellen vermag und mit hoher, insbesondere maximaler elektrischer Leistung betrieben wird, solange die Temperatur in einem unteren Bereich des Wärmepuffers kleiner 50 °C, vorzugsweise kleiner 45 °C ist.
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Darüber hinaus wird eine Effizienzsteigerung auch durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Heizungsanlage, die mindestens eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage, mindestens einen Zusatzheizer und mindestens einen Wärmepuffer aufweist, erreicht, wenn die Kraft-Wärme-Kopplungsanlage eine elektrische Leistung bereitzustellen vermag und mit hoher, insbesondere maximaler elektrischer Leistung betrieben wird, solange die Temperatur in einem oberen Bereich des Wärmepuffers kleiner 70 °C, vorzugsweise kleiner 65 °C ist.
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Zusätzlich kann eine Effizienzsteigerung auch durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Heizungsanlage, die mindestens eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage, mindestens einen Zusatzheizer und mindestens einen Wärmepuffer aufweist, erreicht werden, wenn die Kraft-Wärme-Kopplungsanlage eine elektrische Leistung bereitzustellen vermag und mit hoher, insbesondere maximaler elektrischer Leistung betrieben wird, solange Kondenswasser dem Kondenswasserbehälter entnommen und insbesondere dem Reformer zugeführt werden kann.
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Die erfindungsgemäßen Verfahren können auch kombiniert werden und eignen sich bevorzugt zum Betreiben einer der vorgenannten Heizungsanlagen. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in Kombination erfindungswesentlich sein.
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Bei der Brennstoffzelle kann es sich um eine SOFC (Solid Oxid Fuel Cell) handeln. Hierbei kann die Brennstoffzellenanlage mehrere Brennstoffzellen aufweisen, die zu einem Brennstoffzellenstapel oder zu einem Brennstoffzellenbündel zusammen gefasst sein können. Bei dem ersten Brennstoff kann es sich um Erdgas, Biogas, reines Methan oder längerkettige Kohlenwasserstoffe wie Propan, Diesel, Benzin, Kerosin, Flüssiggas oder Heizöl handeln. Alternativ kann der erste Brennstoff Methanol oder ein längerkettiger Alkohol sein. Der erste Brennstoff kann vor dem Eintritt in die Brennstoffzelle oder in der Brennstoffzelle teilweise oder vollständig reformiert werden. Hierbei entsteht ein Brennstoff, das reich an Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid ist. Unter dem ersten Brennstoff wird sowohl der reformierte als auch der unreformierte Brennstoff verstanden. Ein Teil der in der Brennstoffzelle und/oder im Nachbrenner erzeugten Wärme kann für die Reformierung benötigt werden.
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Es kann sein, dass ein dritter Anteil des aus der Brennstoffzelle austretenden ersten Brennstoffes der Brennstoffzelle durch eine Rezirkulation wieder zur Verfügung gestellt wird. Der zweite Anteil des ersten Brennstoffes wird somit um den dritten Anteil vermindert. Bei dem zweiten Anteil, der die Brennstoffzelle ohne Umsetzung verlässt und im Nachbrenner verbrannt wird, muss es sich also nicht um den vollständigen, in der Brennstoffzelle nicht umgesetzten Anteil handeln. Der dritte Anteil kann ebenfalls gemäß dem Wärmebedarf eingestellt werden und insbesondere bei einem steigenden Wärmebedarf verringert werden. Der zweite und der dritte Anteil sind ebenfalls auf die Menge des ersten Brennstoffes, die der Brennstoffzellenanlage zugeführt wird, bezogen.
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Bei dem zweiten Brennstoff kann es sich um die dieselbe Substanz wie beim ersten Brennstoff handeln. Der zweite Brennstoff und der erste Brennstoff können aber auch unterschiedliche Substanzen sein. Bei dem Zusatzheizgerät kann es sich um ein Gasbrennwertheizgerät handeln.
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Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu den Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt ist. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder der Zeichnung hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnung und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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Zeichnung
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In der einzigen Figur ist schematisch eine erfindungsgemäße Heizungsanlage dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
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In der Figur ist eine Heizungsanlage 10 dargestellt, die eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage in der Form einer Brennstoffzellenanlage 12 aufweist sowie einen Zusatzheizer 14 und einen Wärmespeicher, der als Wärmepuffer 16 ausgelegt ist. Der Wärmepuffer 16 zeichnet sich dadurch aus, dass er ein Wärmespeichermedium, vorzugsweise zirkulierbares Heizungswasser enthält. In diesen Wärmepuffer 16 kann Wärme eingebracht oder entnommen werden unabhängig von der tatsächlichen Bedarfsanforderung. Darin unterscheidet sich der Wärmepuffer 16 von einem Wärmespeicher, der üblicherweise auf einem hohen Temperaturniveau gehalten werden soll, um für Bedarfsspitzenzeiten Wärme vorrätig zu halten. Beim Wärmepuffer 16 ist es so, dass die Wärme möglichst zeitnah abgegeben werden soll, um die Wärmepufferwirkung nämlich das wieder Aufnehmen von Wärme zu ermöglichen.
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Im Ausführungsbeispiel ist der Wärmepuffer 16 zwischen die Kraft-Wärme-Kopplungsanlage und den Zusatzheizer 14 geschaltet. Daraus ergibt sich, dass Wärme von der Kraft-Wärme-Kopplungsanlage, also von der Brennstoffzellenanlage 12 an den Wärmepuffer 16 abgegeben und vom Zusatzheizer 14 Wärme vom Wärmepuffer 16 aufgenommen werden kann.
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Der Wärmepuffer 16 weist einen oberen Bereich 18 und einen unteren Bereich 20 auf, wobei die Bereiche 18, 20 im Inneren des Wärmepuffer 16 mit oder ohne Unterbrechung ineinander übergehen können. Im oberen Bereich 18 weist der Wärmepuffer 16 zwei Anschlüsse 22 und 24 und im unteren Bereich 20 zwei Anschlüsse 26 und 28 auf.
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Die Kraft-Wärme-Kopplungsanlage, also die Brennstoffzellenanlage 12 weist einen Warmwasserausgang 30 auf, der an einen oberen Anschluss 22 des Wärmepuffers 16 sowie einen Kaltwassereingang 32, der an einen unteren Anschluss 26 angeschlossen ist. Dadurch kann die Brennstoffzellenanlage 12 Wärme an den Wärmepuffer 16 kontinuierlich abgeben.
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Um ein Zirkulieren des Heizungswassers zu verbessern, ist eine Pumpe 34 vorgesehen. Die Pumpe 34 ist bevorzugt zwischen dem unteren Anschluss 26 und dem Kaltwassereingang 32 angeordnet. Dadurch kann kaltes Heizungswasser aus dem unteren Bereich 20 des Wärmepuffers 16 heraus gesaugt und in den Kaltwassereingang 32 der Brennstoffzellenanlage 12 gedrückt werden.
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Die Pumpe 34 kann natürlich auch zwischen den Warmwasserausgang 30 und dem oberen Anschluss 22 geschaltet sein.
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Die in der Figur dargestellte Brennstoffzellenanlage 12 weist einen Brennstoffeingang 36 auf, der Brennstoff über ein später beschriebenes Mischventil 38 einem Reformer 40 zu leitet.
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In dem Reformer 40 wird der zugeführte Brennstoff, vorzugsweise Erdgas, zumindest teilweise aufgespalten und der Brennstoffzelle 42 zugeführt.
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Die Brennstoffzelle 42 weist eine Anode 44 und eine Kathode 46 auf, die durch ein katalytisches Element 48 voneinander getrennt sind. Der vom Reformer 40 aufbereitete Brennstoff wird der Anode 44 der Brennstoffzelle 42 zugeführt, während der Kathode 46 über einen Lufteingang 50 insbesondere Sauerstoff zugeführt wird. Auf den den elektronischen Strom betreffenden Aspekt der Brennstoffzelle 42 soll nicht tiefer eingegangen werden.
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Überschüssiger Brennstoff verlässt die Anode 44 durch einen Ausgang 52 hin zu einem Nachbrenner 54. Zwischen der Anode 44 und dem Nachbrenner 54 wird ein Teil des unverbrauchten Brennstoffs zurückgeführt und über das bereits erwähnte Mischventil 38 dem Reformer 40 zugeführt. Die überschüssige Luft, insbesondere Sauerstoff verlässt die Kathode 46 durch einen Ausgang 56 und wird ebenfalls in den Nachbrenner 54 geführt. Im Nachbrenner 54 wird das überschüssige Brennstoff/Luftgemisch verbrannt, so dass heiße Abgase den Nachbrenner 54 über einen Nachbrennerausgang 58 in Richtung auf einen Wärmetauscher 60 verlassen.
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Der Wärmetauscher 60 ist im Ausführungsbeispiel zwischen den Kaltwassereingang 32 und den Warmwasserausgang 30 geschaltet und dazu vorgesehen, die erzeugte Wärme in den Wärmepuffer 16 abzugeben. Die Brennstoffzellenanlage 12 kann auf diese Weise als Kraft-Wärme-Kopplungsanlage äußerst effizient betrieben werden, solange zum einen der Strom abgenommen wird bzw. in ein öffentliches Netz eingespeist werden kann und solange die Wärme vom Wärmepuffer 16 aufgenommen wird. Der Wirkungsgrad dieser Kraft-Wärme-Kopplungsanlage wird durch diese Maßnahme somit erheblich erhöht.
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Die abgekühlten Abgase verlassen den Wärmetauscher 60 über einen Auslass 62.
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Die Brennstoffzellenanlage 12 weist ferner eine Steuerung 63 auf, über die die einzelnen Komponenten gesteuert werden können. Insbesondere können das Mischventil 38 oder auch ein Verdichter 65, der sich im Lufteingang 50 befindet, angesteuert werden. Auch die Pumpe 34 kann durch die Steuerung 63 je nach Auslegung der Pumpe 34 ein- und ausgeschaltet oder variabel in der Drehzahl angesteuert werden.
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Wie erwähnt, weist der Wärmepuffer 16 in einem oberen Bereich 18 mindestens zwei Anschlüssen 22 und 24 und in einem unteren Bereich 20 zwei weitere Anschlüsse 26 und 28 auf. Die Anschlüsse 24 und 28 sind im Ausführungsbeispiel direkt mit dem Volumen des Wärmepuffers 16 verbunden und nutzen somit das gleiche Heizwasser, das auch den Wärmetauscher 60 zu durchströmen vermag. Diese Anordnung kann jedoch auch so getroffen sein, dass eine durchströmbare Wendel im Wärmepuffer 16 angeordnet ist, die entweder mit den Anschlüssen 22 und 26 oder mit den Anschlüssen 24 und 28 verbunden ist und ansonsten im Volumen des Wärmepuffers 16 einen Wärmeaustausch gewährleistet.
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An die Anschlüsse 24 und 28 ist der Zusatzheizer 14 so angeschlossen, dass der oberen Anschluss 24 mit einem Zulauf 64 und der untere Anschluss 28 mit einem Rücklauf 66 verbunden ist. Der Zusatzheizer 14 weist einen Wärmeblock 68 auf, der das zugeführte Heizwasser erwärmen kann, sofern eine Temperaturerhöhung notwendig ist. Der Wärmeblock 68 kann beispielsweise durch ein Brennwertgerät in der Form eines Gasbrenners mit Wärmeübertragung realisiert sein.
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Zwischen dem oberen Ausgang 24 und dem Zulauf 64 ist ein Mischventil 70 geschaltet, das es ermöglicht, Rücklaufwasser aus der Rücklaufleitung 66 dem Zulauf 64 beizumischen. Dazu ist das Mischventil 70 auch mit dem Rücklauf 66 verbunden.
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Der Zusatzheizer weist eine Steuerung 69 auf, die den Wärmeblock 68 in an sich bekannter Weise steuert bzw. regelt. Dazu überwacht und beeinflusst die Steuerung 69 in der Figur nicht dargestellte Elemente wie Brennstoffeinlass, Brennstoff- und/oder Zuluftverdichter, Flammenüberwachung und dergleichen mehr.
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Die Steuerung 69 ist mit der Steuerung 63 verbunden und kommuniziert beispielsweise über ein Bussystem 71. Die Steuerung 69 und die Steuerung 63 können aber auch in einer einzigen Steuerung verwirklicht sein.
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Wird nun das Mischventil 70 so gesteuert, dass der Rücklauf 66 komplett mit dem Zulauf 64 verbunden ist, wird eine Heizwasserströmung durch den unteren Anschluss 28, den Wärmepuffer 16 und den oberen Anschluss 24 unterbunden, weil der Anschluss 24 dann nicht mit dem Zulauf 64 verbunden ist. Es lassen sich jedoch, je nach Ausführung des Mischventils 70 unterschiedliche Volumenströme variabel zueinander realisieren, das heißt, dass sowohl Heizwasser aus dem Rücklauf 66 direkt in den Zulauf 64 als auch indirekt über den Wärmepuffer 16 gemischt werden kann.
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Der Wärmepuffer 16 weist einen oberen Temperatursensor 72 auf, der in der Lage ist die Temperatur des oberen Bereichs 18 zu ermitteln. Der Temperatursensor 72 kann im Heizwasser oder an einer Außenwand des Wärmepuffers 16 angebracht sein.
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Der Wärmepuffer 16 weist einen unteren Temperatursensor 74 auf, der in der Lage ist, die Temperatur des unteren Bereichs 20 zu ermitteln. Der Temperatursensor 74 kann im Heizwasser oder an einer Außenwand des Wärmepuffers 16 angebracht sein.
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Im Ausführungsbeispiel ist der obere Temperatursensor 72 und der untere Temperatursensor 74 mit der Steuerung 63 und der Steuerung 69 verbunden.
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Der Zusatzheizer 14 ist im Ausführungsbeispiel mit einem Wärmeübertrager 76 verbunden, der seinerseits mit einem Brauchwasserbehälter 78 verbunden ist. Damit ist der Wärmeblock 68 indirekt mit dem Brauchwasserbehälter 78 verbunden. In die Verbindung zwischen dem Wärmeübertrager 76 und dem Brauchwasserbehälter 78 ist eine Pumpe 80 eingebracht, die eine Brauchwasserzirkulation durch den Wärmeübertrager 76 erzwingen kann. Die Pumpe 80 kann von der Steuerung 69 angesteuert werden.
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An den Wärmeblock 68 ist mindestens ein Heizkreis 82 angeschlossen, dessen Vorlauf 84 mit dem Warmwasserausgang 86 des Wärmeblocks 68 verbunden ist. Die Verbindung erfolgt mithilfe eines 3-Wege-Mischventils 88, an das auch der Wärmeübertrager 76 angeschlossen ist.
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Ein Rücklauf 90 des Heizkreises 82 ist mit dem Rücklauf 66 verbunden. Es können auch mehrere Heizkreise 82 vorgesehen sein, die beispielsweise parallel geschaltet sind und jeweils einen entsprechenden Vorlauf 84 und einen entsprechenden Rücklauf 90 aufweisen.
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Im oder am Rücklauf 66 bzw. 90 ist ein Temperatursensor 92 angeordnet, der die Rücklauftemperatur überwacht und der mit dem Steuergerät 63 und/oder dem Steuergerät 69 verbunden ist.
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Der Wärmetauscher 60 ist so ausgelegt, dass in dem vom Nachbrenner 54 abgegebenen Abgas enthaltenes Kondensat auskondensiert und direkt oder wie im Ausführungsbeispiel über eine Leitung 94 an einen Kondensatwasserbehälter 96 abgegeben wird. Prinzipiell ist es denkbar, Kondensat auch von anderen Wärmeübertragern, beispielsweise dem Wärmeübertrager 88, aufzufangen und dem Kondensatwasserbehälter 96 zuzuführen. Da das Kondensat jedoch weiter verwendet werden soll, ist der Reinheit des Kondensats besondere Aufmerksamkeit zu widmen und das Kondensat vom Wärmeübertrager 88 ist ggf. zu reinigen.
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Der Kondensatwasserbehälter 96 ist mit dem Reformer 40 verbunden und kann an diesen Kondensat abgeben, das für die Aufspaltung des zugeführten Brennstoffs benötigt wird.
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Am Kondensatwasserbehälter 96 ist ein Füllstandssensor 98 angebracht, der mit der Steuerung 63 verbunden ist. Die Steuerung 63 erhält so die Information, ob für den Reformprozess innerhalb des Reformers 40 benötigtes Kondensat in ausreichender Menge vorhanden ist, oder ob die Brennstoffzellenanlage 12 auf einen anderen Betriebspunkt geführt werden muss.
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Bei der Ermittlung des Betriebspunktes wird die Erkenntnis herangezogen, dass die Wasserbilanz der Brennstoffzelle, also die Differenz von auskondensiertem Wasser und von im Reformer benötigtem Wasser, oberhalb einer Grenztemperatur im Kaltwassereingang 32 des Wärmetauschers 60 negativ wird. D.h., je höher die Leistung der Brennstoffanlage ist, umso mehr Kondensat muss dem Reformer 40 zugeführt werden, was aber nicht in gleichem Maß im Wärmetauscher 60 anfällt. Unterhalb der Grenztemperatur kondensiert mehr Wasser aus, als der Reformer 40 benötigt. Wird als Brennstoff Erdgas verwendet, liegt die Grenztemperatur zwischen 40 °C und 60 °C.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer Heizanlage 10 mit mindestens einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage, insbesondere in der Form einer Brennstoffzellenanlage 12, ferner mit mindestens einem Zusatzheizer 14 und mindestens einem Wärmepuffer 16, gemäß dem der Zusatzheizer 14 warmes Heizwasser nur dann vom Wärmepuffer 16 bezieht, wenn die Rücklauftemperatur des beim Zusatzheizer 14 ankommenden Heizwassers kleiner ist als eine Temperatur in einem oberen Bereich 18 des Wärmepuffers 16.
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Dadurch ist sichergestellt, dass der Wärmepuffer 16 nicht über den Zusatzheizer 14 aufgewärmt wird. Das Mischventil 70 wird dabei so angesteuert, dass zumindest wenn die mit dem Temperatursensor 92 gemessene Temperatur im Rücklauf 66 höher ist als die mit dem Temperatursensor 72 gemessene Temperatur im oberen Bereich 18 des Wärmepuffers 16, kein Heizwasser durch den Wärmepuffer 16 geleitet und dem Zusatzheizer 14 zugeführt wird.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer Heizanlage 10 mit mindestens einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage, insbesondere in der Form einer Brennstoffzellenanlage 12, ferner mit mindestens einem Zusatzheizer 14 und mindestens einem Wärmepuffer 16, gemäß dem der Zusatzheizer 14 warmes Heizwasser nur dann vom Wärmepuffer 16 bezieht, wenn die Rücklauftemperatur des beim Zusatzheizer 14 ankommenden Heizwassers kleiner ist als eine Temperatur in einem unteren Bereich 20 des Wärmepuffers 16.
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Damit ist eine Erwärmung des Wärmepuffers 16 durch den Zusatzheizer 14 gänzlich ausgeschlossen. Das Mischventil 70 wird dabei so angesteuert, dass zumindest wenn die mit dem Temperatursensor 92 gemessene Temperatur im Rücklauf 66 höher ist als die mit dem Temperatursensor 74 gemessene Temperatur im unteren Bereich 20 des Wärmepuffers 16 kein Heizwasser durch den Wärmepuffer 16 geleitet und dem Zusatzheizer 14 zugeführt wird.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer Heizanlage 10 mit mindestens einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage, insbesondere in der Form einer Brennstoffzellenanlage 12, ferner mit mindestens einem Zusatzheizer 14 und mindestens einem Wärmepuffer 16, gemäß dem die Kraft-Wärme-Kopplungsanlage eine elektrische Leistung bereitzustellen vermag und mit hoher, insbesondere maximaler elektrischer Leistung betrieben wird, solange die Temperatur in einem unteren Bereich 20 des Wärmepuffers 16 kleiner 50 °C, vorzugsweise kleiner 45 °C liegt.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer Heizanlage 10 mit mindestens einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage, insbesondere in der Form einer Brennstoffzellenanlage 12, ferner mit mindestens einem Zusatzheizer 14 und mindestens einem Wärmepuffer 16, gemäß dem die Kraft-Wärme-Kopplungsanlage eine elektrische Leistung bereitzustellen vermag und mit hoher, insbesondere maximaler elektrischer Leistung betrieben wird, solange die Temperatur in einem oberen Bereich 18 des Wärmepuffers 16 kleiner 70 °C, vorzugsweise kleiner 65 °C ist.
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Die Brennstoffzelle 42 kann in einem Bereich ihrer elektrischen Leistung von typischerweise 100 % bis 30 % modulierend betrieben werden. Die Regelstrategie sieht vor, dass beim Betrieb ein möglichst hoher elektrischer Wirkungsgrad bei gleichzeitigem Nutzen der thermischen Energie erzielt wird. Die thermische Energie wird für das Heizen bzw. die Warmwasserbereitung genutzt. Der Strom wird vom Inhaber entweder selbst genutzt soweit Bedarf besteht oder in das öffentliche Stromnetz eingespeist. Ist die Temperatur in einem unteren Bereich 20 des Wärmepuffers 16 kleiner 50 °C, vorzugsweise kleiner 45 °C, und/oder die Temperatur in einem oberen Bereich 18 des Wärmepuffers 16 kleiner 70 °C, vorzugsweise kleiner 65 °C, kann die Brennstoffzelle 42 mit maximaler elektrischer Leistung betrieben werden. Steigt die Temperatur im unteren Bereich 20 bzw. im oberen Bereich 18 über die genannten Werte, wird die Brennstoffzelle 42 so betrieben, dass möglichst wenig Wärme abgegeben wird. Dadurch wird sichergestellt, dass die Brennstoffzelle 42 insgesamt mit möglichst langer maximaler Leistung betrieben werden kann, wodurch der elektrische Wirkungsgrad der Brennstoffzelle steigt sowie die Alterung der Brennstoffzelle verringert wird.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer Heizanlage 10 mit mindestens einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage, insbesondere in der Form einer Brennstoffzellenanlage 12, ferner mit mindestens einem Zusatzheizer 14 und mindestens einem Wärmepuffer 16, gemäß dem die Kraft-Wärme-Kopplungsanlage eine elektrische Leistung bereitzustellen vermag und mit hoher, insbesondere maximaler elektrischer Leistung betrieben wird, solange Kondenswasser dem Kondensatwasserbehälter 96 entnommen werden kann.
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Solange dem Reformer 40 zuführbares Kondenswasser zur Verfügung steht, kann die Brennstoffzelle 42 bei maximaler Leistung betrieben werden. Dies bedeutet, dass der Brennstoffzelle 42 mehr als ausreichend Brennstoff und Luft zugeführt werden kann, wodurch eine optimale Durchmischung im Innern der Brennstoffzelle 42 insbesondere im Bereich der Anode 44 ermöglicht ist. Auf diese Weise werden über- oder unterversorgte Bereiche und damit wärmere oder kühlere Spots, die eine schnellere Alterung herbeiführen, vermieden. Darüber hinaus steigt der Gesamtwirkungsgrad der Heizanlage 10.
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Durch die besondere Ausbildung und insbesondere Einbindung des Wärmepuffers 16 wird es möglich, die Brennstoffzellenanlage 12 sowohl bezüglich ihrer elektrischen Leistung als auch bezüglich der Wärmeabgabe und damit bezüglich des Gesamtwirkungsgrades gegenüber einer Anlage mit einem herkömmlichen Warmwasserkessel zu verbessern. Gerade die Eigenschaft des Wärmepuffers 16 Wärme unabhängig vom tatsächlichen Bedarf aufzunehmen, kommt dem Gesamtwirkungsgrad zugute. Die Steuerungen 63 und 69 sind dabei so ausgelegt, dass der Wärmepuffer 16 Wärme aus seinem oberen Bereich 18 abgibt sobald dies durch das Wärmeanforderungsprofil möglich ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010001011 A1 [0004, 0007]
