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Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Photovoltaik, insbesondere auf dem Gebiet der photovoltaischen Erzeugung von Wasserstoff aus wasserstoffhaltigen Verbindungen, und betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Erzeugung von Wasserstoff.
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Im Rahmen der derzeit vorangetriebenen Energiewende wird eine nachhaltige Energieversorgung im Bereich der erneuerbaren Energien angestrebt. Hierzu zählt insbesondere die Photovoltaik, die als Alternative zu den fossilen Energieträgern wie beispielsweise Öl oder Kohle dienen soll. Ein Nachteil der erneuerbaren Energien liegt oftmals in der Wetterabhängigkeit, wodurch sie weniger planbar sind als die Energieumwandlung durch konventionelle Kraftwerke. Zur Deckung der benötigten Leistung sind daher neue, effektivere Speichermethoden notwendig.
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Eine vielversprechende und aussichtsreiche Speichermethode ist die Speicherung von Energie in Form von Wasserstoff. Wasserstoff wird typischerweise mittels Elektrolyse von deionisiertem Wasser erzeugt. In der Photovoltaik ist die Elektrolyse von Wasser meist durch ein Hintereinanderschalten von einer Anzahl an Photovoltaikmodulen und einer Elektrolysezelle beziehungsweise einem Elektrolyseur realisiert. Hierbei liegt in der Anbindung der Elektrolysezellen an das Energieversorgungsnetz mittels Elektrolyse-Gleichrichtern eine besondere Herausforderung.
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Bei der Anbindung der Elektrolysezellen an das Energieversorgungsnetz bestehen hier insbesondere erhebliche Anforderungen an den Wirkungsgrad und den Leistungsripple des Elektrolyseurs. Weitere Anforderungen hinsichtlich des Oberwellenanteils der aus dem Energieversorgungsnetz entnommenen Energie, des Phasenwinkels zwischen der Spannung des Energieversorgungsnetzes und dem entnommenen Strom sowie der Beteiligung derartiger Anlagen an der Stabilisierung des Versorgungsnetzes spielen in zukünftigen Netzanschlussbedingungen eine zunehmend große Rolle.
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Als Beispiel für eine derartige Entwicklung kann die stetige Verfeinerung der Einspeisebedingungen für Photovoltaikanlagen herangezogen werden. Die derzeit verfolgten Lösungsansätze basierend auf Thyristorstellertechnologie werden in absehbarer Zeit nicht mehr die notwendigen Anforderungen der Einspeisebedingungen erfüllen. Insbesondere sind bei der Thyristorstellertechnologie alle Parameter, wie etwa der Oberwellengehalt des Stromes oder die Einstellbarkeit des Phasenwinkels zwischen Strom und Spannung, mit Ausnahme des Wirkungsgrads und der Herstellungskosten nicht geeignet.
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Industriell verfügbare Gleichstromquellen, die die obenstehenden Anforderungen weitgehend erfüllen sind nur mit geringen Leistungen bis etwa 30 kW verfügbar und aufgrund der erhältlichen Modulgröße entsprechend kostenintensiv. Diese industriellen Gleichstromquellen weisen typischerweise eine Power Factor Correction (PFC) auf, wodurch zumindest der Oberwellengehalt der Eingangsleistung und der Ausgangsripple gering ausfallen.
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Bei Photovoltaikanlagen offenbart der Stand der Technik bezüglich Einspeisemöglichkeiten ins Energieversorgungsnetz hingegen ein hohes Maß an Variabilität. Prinzipiell ist hierdurch ein nahezu beliebiges Einspeiseverhalten realisierbar.
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Zur photovoltaischen Erzeugung von Wasserstoff muss nach dem bisherigen Stand der Technik ein Elektrolyseur mit einem Thyristorsteller oder einer industriellen Gleichstromquelle mit einer Photovoltaikanlage gekoppelt werden, wobei die photovoltaisch erzeugte Elektrizität zweimal umgeformt wird, bevor sie am Elektrolyseur bereitgestellt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur photovoltaischen Erzeugung von Wasserstoff anzugeben, die hinsichtlich der Entnahme der Energie aus dem Versorgungsnetz für bestehende und zukünftige Anforderungen möglichst optimiert ist. Des Weiteren soll ein Verfahren zur photovoltaischen Erzeugung von Wasserstoff angegeben werden, das mit vergleichsweise geringem Aufwand eine verbesserte Entnahme der Energie aus dem Versorgungsnetz ermöglicht. Insbesondere soll der Aufwand für eine Umformung der über ein Energieverteilungsnetz bereitgestellten Wechselenergie möglichst weitestgehend reduziert werden.
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Bezüglich der Vorrichtung wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 12. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Hierzu umfasst eine Vorrichtung zur photovoltaischen Erzeugung von Wasserstoff aus wasserstoffhaltigen Verbindungen eine Photovoltaikanlage mit zumindest einem Photovoltaikmodul zur Erzeugung einer Gleichspannung für einen mittels eines elektrischen Zwischenkreises leitfähig gekoppelten zentralen Photovoltaikumrichter zur Einspeisung in ein Stromnetz, sowie einen Elektrolyseur, wobei der Elektrolyseur direkt an den Zwischenkreis anschließbar oder angeschlossen ist. In einer bevorzugten Ausführung ist der Elektrolyseur insbesondere im Wesentlichen parallel zu dem Photovoltaikmodul geschaltet.
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Verfahrensgemäß ist vorgesehen, dass von der Photovoltaikanlage eine Gleichspannung erzeugt wird, welche mittels des elektrischen Zwischenkreises und dem hiermit leitfähig gekoppelten zentralen Photovoltaikumrichter in das Stromnetz eingespeist wird, wobei die erzeugte Gleichspannung von dem Elektrolyseur zur Elektrolyse von wasserstoffhaltigen Verbindungen eingesetzt wird, und wobei der Elektrolyseur elektrisch leitfähig direkt an den Zwischenkreis gekoppelt wird.
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Der mit der Erfindung erzielte Effekt besteht darin, dass durch die direkte, elektrisch leitfähige Kopplung des Elektrolyseurs an den Zwischenkreis eine Umrichtungseinrichtung gegenüber dem Stand der Technik entfällt, wodurch eine Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades sowie eine Reduzierung des Hardwareaufwands realisiert ist. Insbesondere ist durch den direkten Anschluss des Elektrolyseurs an der Zwischenspannung der Aufwand für eine Umformung des über das (Wechsel-)Stromnetz bereitgestellten Wechselstromes vollständig eliminiert.
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Vorteile bezüglich des Hardwareaufwandes bestehen weitestgehend darin, dass auf einen Steller (Thyristorsteller oder industriellen Gleichstromsteller) des Elektrolyseurs komplett verzichtet werden kann.
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Weitere Vorteile ergeben sich bezogen auf den Elektrolyseur dadurch, dass bestehende Photovoltaikumrichter bereits heutzutage umfangreiche Anforderungen hinsichtlich des Oberwellengehalts der entnommenen Leistung oder der Frequenzabhängigkeit der entnehmbaren Leistung erfüllen, die nach dem derzeitigen Stand der Technik für Elektrolysesteller nicht realisierbar sind.
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Die Einspeisung von Energie ins Stromnetz stellt eine Entnahme mit negativem Vorzeichen beziehungsweise einer 180° Phasenverschiebung dar, und wird nachfolgend ebenfalls als Entnahme oder Bereitstellung bezeichnet.
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Heutige Photovoltaikumrichter sind herkömmlicherweise derart aufgebaut, dass durch ein geeignetes Regelverfahren, die Einspeisung von Energie aus einem Photovoltaikfeld mit mehreren gekoppelten Photovoltaikmodulen in das (Wechsel-)Stromnetz optimiert wird. Derartige Regelverfahren werden typischerweise als Maximum Power Point Tracking (MPP-Tracking) bezeichnet. Der Maximum Power Point (MPP) ist typischerweise als Arbeitspunkt gewählt.
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Dadurch entsteht das Problem, dass bei herkömmlichen Photovoltaikumrichtern die ins Netz eingespeiste Energie optimiert wird, sodass die Leistungserfassung netzseitig und nicht photovoltaikfeldseitig erfolgt. Hierdurch wird gemäß dem Stand der Technik die ins Stromnetz eingespeiste Leistung unabhängig vom Wirkungsgrad des Umrichters optimiert, der bei dem Photovoltaikumrichter arbeitspunktabhängig mitunter stark variiert.
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Zum Zwecke einer Lösung hinsichtlich dieses Problems ist es notwendig, dass das Regelverfahren des Umrichters derart gewählt wird, dass das Photovoltaikfeld unabhängig von der Einstrahlung seinen Arbeitspunkt dadurch erreicht, dass die Differenz der aus dem Photovoltaikfeld gelieferten Energie und der für den Elektrolyseur benötigten Energie bei der identischen Zwischenkreisspannung aus dem Stromnetz bereitgestellt wird.
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In einer geeigneten Weiterbildung ist hierzu vorgesehen, dass die Differenz des durch die Photovoltaikmodule erzeugten elektrischen Stromes und des für den Elektrolyseur benötigten elektrischen Stromes aus dem Stromnetz bereitgestellt ist. Insbesondere ist in einer vorteilhaften Ausführung die Differenz des durch die Photovoltaikmodule erzeugten elektrischen Stromes und des für den Elektrolyseur benötigten elektrischen Stromes unabhängig von einem Arbeitspunkt des Photovoltaikmoduls aus dem Stromnetz bereitgestellt.
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Verfahrensgemäß ist es in einer bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen, dass während des Betriebs die Differenz des durch die Photovoltaikmodule erzeugten elektrischen Stromes und des für den Elektrolyseur benötigten elektrischen Stromes aus dem Stromnetz bereitgestellt wird. Insbesondere ist in einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens vorgesehen, dass die Differenz des durch die Photovoltaikmodule erzeugten elektrischen Stromes und des für den Elektrolyseur benötigten elektrischen Stromes unabhängig von einem Arbeitspunkt des Photovoltaikmoduls bereitgestellt wird.
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In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung ist eine Steuereinheit für den Photovoltaikumrichter zur Regelung der Photovoltaikleistung vorgesehen. Die Steuereinheit ist in einer bevorzugten Ausgestaltung zur verfahrensgemäßen Erfassung eines ersten Stromsignals des Photovoltaikmoduls und eines zweiten Stromsignals des Elektrolyseurs geeignet und eingerichtet. Dadurch ist die Photovoltaikleistung als zu regelnde Regelgröße direkt erfassbar.
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Die Steuereinheit ist in einer zweckmäßigen Ausgestaltung zumindest im Wesentlichen durch einen Mikrocontroller gebildet, in dem ein das Verfahren automatisch durchführendes Steuerprogramm implementiert ist. Die Steuereinheit kann alternativ auch zum Beispiel durch einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) gebildet sein.
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In einer vorteilhaften Ausführung erzeugt die Steuereinheit in Abhängigkeit von den erfassten Stromsignalen verfahrensgemäß ein den Photovoltaikumrichter regelndes Regelsignal zur Steuerung der Photovoltaikleistung.
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In einer hierzu alternativen Ausführung ist es verfahrensgemäß vorgesehen, dass eine Kennlinie des Elektrolyseurs in einem Speicher der Steuereinheit hinterlegt ist, wobei die Steuereinheit in Abhängigkeit eines erfassten Stromsignals, insbesondere des ersten Stromsignals des Zwischenkreises, und der Kennlinie die Photovoltaikleistung regelt. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass das Verfahren ohne eine Änderung der Photovoltaikumrichterhardware realisierbar ist, da keine zusätzliche Strommessung benötigt wird.
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In einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform wird alternativ zur Optimierung der Photovoltaikleistung die Elektrolyseurleistung geregelt, indem die Differenzleistung aus Elektrolyseurleistung und Photovoltaikleistung unabhängig von einem Erreichen des Arbeitspunktes des Photovoltaikfeldes aus dem Stromnetz bereitgestellt wird.
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In einer geeigneten Ausgestaltung sind die Nennleistungen des Photovoltaikmoduls und des Elektrolyseurs derart aufeinander abgestimmt, dass auftretende Stromdifferenzen zwischen der Photovoltaikleistung und der Elektrolyseurleistung im Vergleich zur Nennleistung des Photovoltaikmoduls und der Maximalleistung des Elektrolyseurs möglichst gering sind.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Photovoltaikumrichter auf einen Leistungsnennwert dimensioniert, der geringer ist als die Nennleistung des Photovoltaikmoduls. Insbesondere beträgt der Leistungsnennwert in einer geeigneten Ausgestaltung etwa 10% bis 20% der Nennleistung des Photovoltaikmoduls.
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Durch den Verzicht auf einen Elektrolyseursteller ist die Dimensionierung des verbleibenden Photovoltaikumrichters weitestgehend optimierbar. Dimensionierungen in der Größenordnung eines Drittels, bevorzugterweise etwa 10% bis 20%, der ansonsten erforderlichen Nennleistung sind dadurch in der Praxis realisierbar. Beispielsweise könnte ein 100 kW Photovoltaikfeld (PV-Anlage) mit einem parallelgeschalteten 100 kW Elektrolyseur mit einem Umrichter von 30 kW Nennleistung betrieben werden.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 in schematischer Darstellung eine Vorrichtung zur photovoltaischen Erzeugung von Wasserstoff, umfassend eine Photovoltaikanlage mit einem Photovoltaikfeld zur Erzeugung einer Gleichspannung für einen mittels eines elektrischen Zwischenkreises leitfähig gekoppelten zentralen Photovoltaikumrichter zur Einspeisung in ein Stromnetz, sowie einem parallel zum Zwischenkreis geschalteten Elektrolyseur, und
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2 eine alternative Ausführung der Vorrichtung.
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Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt schematisch eine Vorrichtung 2 zur photovoltaischen Erzeugung von Wasserstoff, mit einer Photovoltaikanlage 4 und mit einem Elektrolyseur 6. Die Photovoltaikanlage 4 umfasst im Wesentlichen ein Photovoltaikfeld 8 mit einer Anzahl von Photovoltaikmodulen 10, die zueinander parallel liegend an einem gemeinsamen Generatoranschlusskasten 12 geführt sind, sowie einen zentralen Umrichter 16. Die von den Photovoltaikmodulen 10 erzeugten Teilgleichspannungen werden am Generatoranschlusskasten 12 zu einer Gleichspannung U aufsummiert.
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Der Generatoranschlusskasten 12 ist mittels eines elektrischen Zwischenkreises 18 elektrisch leitfähig mit dem Umrichter 16 gekoppelt. Der Umrichter 16 wandelt die Gleichspannung U in eine Wechselspannung U' um. Die Wechselspannung U' wird mittels einer Einspeisung 20 in ein Wechselstromnetz 22 eingespeist.
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Der Elektrolyseur 6 ist im Wesentlichen elektrisch parallel zu den Photovoltaikmodulen 10 und dem Zwischenkreis 18 geschaltet. Im Elektrolyseur 6 wird mittels der Gleichspannung U deionisiertes Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mittels Elektrolyse aufgespalten. Hierzu ist zweckmäßigerweise ein Wassertank 24 mit deionisierten Wasser strömungstechnisch mit dem Elektrolyseur 6 gekoppelt. Der Elektrolyseur 6 ist des Weiteren mit einer Kühlwasserversorgung 26 zum Abtransport von entstehender Wärmeentwicklung während des Betriebs gekoppelt.
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Der aufgespaltene, gasförmige Wasserstoff beziehungsweise Sauerstoff wird zunächst in einen Gasbehälter 28, 30 geleitet und von dort mittels eines Kompressors 32, 34 in einen Speicherbehälter 36, 38 gefüllt.
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Der Umrichter 16 ist signaltechnisch mit einer Steuereinheit 40 gekoppelt. Die Steuereinheit 40 ist im Wesentlichen durch einen Mikrocontroller gebildet. Die Steuereinheit 40 erfasst im Betrieb ein erstes Stromsignal I1 von einem ersten Strommessgerät 42 des Zwischenkreises 18 und ein zweites Stromsignal I2 von einem zweiten Strommessgerät 44, welches elektrisch vor dem Elektrolyseur 6 geschalten ist. Aus den erfassten Stromsignalen I1 und I2 stellt die Steuereinheit 40 im Betrieb ein die Photovoltaikleistung regelndes Regelsignal R für den Umrichter 16 bereit.
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Mit den Stromsignalen I1 und I2 findet durch die Steuereinheit 40 eine photovoltaikfeldseitige Leistungserfassung statt, wobei das Regelsignal R die einzuspeisende Leistung des Umrichters 16 für die Einspeisung 20 regelt. Dadurch wird die eingespeiste Leistung unabhängig vom Wirkungsgrad des Umrichters 16 optimiert.
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Für den Betrieb des Elektrolyseurs 6 mit der Gleichspannung U des Zwischenkreises 18 wird mittels der Stromerfassung die Differenz des durch das Photovoltaikfeld 8 erzeugten elektrischen Stromes und des für den Elektrolyseur 6 benötigten elektrischen Stromes unabhängig von einem Arbeitspunkt der Photovoltaikmodule 10 aus dem Wechselstromnetz 22 bereitgestellt.
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In 2 ist eine zweite Ausführungsvariante der Vorrichtung 2 schematisch dargestellt. In dieser Ausführung erfasst die Steuereinheit 40 lediglich das erste Stromsignal I1 des Zwischenspannungskreises 18. Damit von der Steuereinheit 40 weiterhin ein Wert für die Photovoltaikleistung bestimmbar ist, ist in einer elektronischen Speichereinheit 46 eine Kennlinie K des Elektrolyseurs 6 hinterlegt. Anhand des erfassten Stromsignals I1 und der Kennlinie K wird das die Photovoltaikleistung regelnde Regelsignal R von der Steuereinheit 40 für den Umrichter 16 bereitgestellt.
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In einer geeigneten Dimensionierung sind die Nennleistungen der Photovoltaikmodule 10 und des Elektrolyseurs 6 derart aufeinander abgestimmt, dass auftretende Stromdifferenzen zwischen der Photovoltaikleistung und der Elektrolyseurleistung im Vergleich zur Nennleistung der Photovoltaikmodule 10 und der Maximalleistung des Elektrolyseurs 6 möglichst gering sind. Insbesondere ist die Dimensionierung des Umrichters 16 derart optimiert, dass ein Betrieb bei bevorzugterweise etwa 10% bis 20% der ansonsten erforderlichen Nennleistung realisiert ist.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den verschiedenen Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
