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Die Erfindung betrifft eine autonome und autarke Anlage zur Wasserstofferzeugung und Speicherung nach dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.
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Es gibt momentan verschiedenste Ansätze. Die Elektrolyse von Wasser in Wasserstoff in einem Kraftwerksystem ist bekannt. Auch die Speicherung des erzeugten Wasserstoffs wird im aktuellen Stand der Technik beschrieben.
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Die Probleme, die sich unserer Auffassung nach aus dem aktuellen Stand der Technik ergeben, sind in 2 Kategorien zusammenzufassen.
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Erstens sind aktuelle Kraftwerkssysteme, die aus Wasser mittels Elektrolyse Wasserstoff und Sauerstoff erzeugen teilweise noch nicht in der Lage autonom zu arbeiten oder sind nicht autark, weil sie im Falle einer Unterbrechung der Primärenergiequelle, nicht in der Lage sind die Produktion zu unterbrechen und bei Wiederanliegen der Energie selbstständig wieder aufzunehmen.
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Es bedarf hier immer einer weiteren, konstanten Sekundärenergiequelle, um den Betrieb der Anlage zu gewährleisten.
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Zweitens sind komplexe autonom und autark arbeitende wasserbassierte Anlagen als Stand der Technik bekannt, bei diesen Anlagen ist eine Wasserstoffentnahme zum direkten Betanken von Fahrzeugen nicht vorgesehen, sie sind durch ihre Art auf gewisse geographische Einsatzgebiete beschränkt und können vom Endnutzer schlicht nicht erreicht werden.
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Aus den beiden Punkten ergibt sich, dass es momentan noch keine Lösung einer autonomen, autarken Anlage zum Betanken von Kraftfahrzeugen gibt.
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In der Gebrauchsmusterschrift
DE 20 2010 001 737 U1 wird eine autonome Anlage beschrieben, die aus einer regenerativen Stromquelle in Form eines Windrads mit vertikaler Drehachse Wasserstoff erzeugt und die entstehende Wärme und das Nebenprodukt Sauerstoff zwischenspeichert. Beschränkt wird diese Anlage auf die Nutzung ausschließlich einer regenerativen Energiequelle und zusätzlich ein zuschaltbares Blockheizkraftwerk. Eine Autarkie vom eigentlichen Energienetz ist nicht gegeben. Des Weiteren wird die Nutzung des gespeicherten Wasserstoffs ausschließlich auf die Nutzung von Kraftfahrzeugen angeben. Durch die Beschränkung auf eine Windenergieanlage mit senkrechter Rotorachse ist die Gesamteffizienz des Systems geringer als beispielweise bei einem System mit vertikaler Rotorachse. Auch ist mit dem genannten System eine Kombination verschiedener (regenerativer) Energiequellen nicht möglich. Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse sind hinreichend in der Literatur beschrieben. Des Weiteren sind Verfahren zur Umwandlung von Primärenergie in elektrische Energie bekannt, die auch in abgelegenen Gegenden langfristig und mit hoher Verfügbarkeit eingesetzt werden können (bspw. Windenergie- oder Photovoltaikanlagen). Nachteilig wirkt sich bei der Anlage nach
DE 20 2010 001 737 U1 aus, dass diese abhängig von einer externen Netzstromquelle ist, um betrieben zu werden. Das bedeutet, diese Lösung ist nicht autark zum Netzstrom. Einweiterer Nachteil besteht darin, dass diese Anlage die Nutzung der Windenergie durch den Einsatz einer Windenergieanlage mit vertikaler Drehachse beschränkt ist. In der Druckschrift
EP 1 596 052 A1 wird ein Kraftwerksystem mit einer Windenergieanlage, einem Wasserstofferzeuger, einem Wasserstoffspeicher und einer Gasturbine beschrieben. Ein erstes Kraftwerk erzeugt dabei aus einer regenerativen Energiequelle Strom, mit dem ein Wasserstofferzeuger betrieben wird. Der daraus erzeugte Wasserstoff wird in einem Wasserstoffspeicher gespeichert und an ein zweites Kraftwerk geleitet, welches elektrischen Strom mittels des gespeicherten Wasserstoffs erzeugt. Das erste Kraftwerk ist dabei vorzugsweise als Windkraftanlage ausgelegt. Der Wasserstoff ist nur intern gespeichert und kann nicht anderweitig als zum Betreiben des zweiten Kraftwerks eingesetzt werden.
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Die Druckschrift
WO 2014/196921 A1 beschreibt ein wasserbasiertes modulares Kraftwerk. Das Kraftwerk weist einen Grundmontagestruktur mit einer zentralen Plattform und mehrere Energiesammelmodule für erneuerbare Energien auf, wobei wasserbasierte Energiequellen zum Antrieb eines elektrischen Leistungserzeugungssystemgenutzt werden. Dieses umfasst eine Elektrolyseanlage zur Herstellung von Wasserstoff und eine Wasserstoffspeicherung und / oder ein Verteilungssystem. Des Weiteren ist ein Steuersystem vorgesehen, welches die Aktivierung bzw. Verbindung der Energiesammelmodule auf Basis vorgegebener Kriterien überwacht. Das Kraftwerk besitzt einen Generator, welcher die Energie umwandelt. Der Wasserstoff wird lediglich intern für die weitere Verwendung im Kraftwerk gespeichtert.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine autonome und autarke Anlage zur Wasserstofferzeugung und Speicherung zu entwickeln, die unabhängig von einer externen Netzstromquelle arbeitet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des ersten Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die autarke Anlage zur Wasserstofferzeugung und Speicherung unter Nutzung wenigstens eines ersten Generators und wenigstens eines Elektrolyseurs, mit dem Wasserstoff und Sauerstoff erzeugbar sind, weist einen externen Wasserstoffspeicher für dem im Elektrolyseur erzeugten Wasserstoff auf, wobei in die Anlage erfindungsgemäß ein zweiter interner Wasserstoffspeicher integriert ist, der in Verbindung mit einem zweiten Generator zum Betreiben der Anlage einsetzbar ist. Wird eine Stromversorgung der Anlage über einen externe Stromzuführung nicht gewährleistet bzw. ist diese nicht realisierbar, wird über den internen Wasserstoffspeicher der interne zweite Generator betrieben, über welchen die Anlage mit dem zu deren Betrieb erforderlichem Strom versorgbar ist.
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Im Regelbetrieb wird die Anlage über die in einem ersten Generator erzeugte elektrische Energie oder über die mittels eines externen Netzanschlusses zugeführte elektrische Energie betrieben, die an den Elektrolyseur weiterleitbar ist.
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Der Elektrolyseur ist mit einer Wasserpumpe verbunden, welche wiederum mit einem Wasserspeicher verbunden ist, über welchen dem Elektrolyseur Wasser zuführbar ist.
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Der im Elektrolyseur freigesetzte Sauerstoff ist über eine Leitung einer Reinigungs- und Trocknungsstufe zuführbar, der ein O2-Verdichter und ein O2-Speicher nachgeschaltet sind, wobei der O2-Speicher ein Ventil zur Entnahme des Sauerstoffs aufweist.
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Der im Elektrolyseur erzeugte Wasserstoff ist über eine erste Leitung dem externen H2-Speicher zuführbar und aus dem externen H2-Speicher entnehmbar. Der Wasserstoff kann aus dem externen H2-Speicher beispielsweise zum Betanken eines wasserstoffbetriebenen Fahrzeuges verwendet werden. Der im Elektrolyseur erzeugte Wasserstoff ist weiterhin über eine zweite Leitung dem internen H2-Speicher zuführbar, welcher mit dem zweiten Generator zur internen Energieversorgung verbunden ist. Mittels eine Ventils kann eine Umschaltung der Zuleitungen zum Befüllen des externen oder des internen Wasserstoffspeichers realisiert werden.
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Fallen der erste Generator oder der externe Netzanschluss aus, wird der in dem internen Wasserstoffspeicher gespeicherte Wasserstoff einem Wasserstoffverbrennungsmotor (kurz Wasserstoffmotor) zugeführt, der wiederum den zweiten Generator antreibt, über den nun der für das Betreiben der Anlage erforderliche Strom zur Verfügung gestellt wird. Alternativ kann der in dem internen Wasserstoffspeicher gespeicherte Wasserstoff zur Stromerzeugung für den internen Betrieb einem zweiten internen Generator in der Art einer Brennstoffzelle zugeführt werden.Der zweite interne Generator versorgt nun mittels einer Kabelverbindung die Steuerung der Anlage und die Wasserpumpe mit elektrischer Energie.
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Das zweite Ventil zur Umschaltung zwischen der ersten und der zweiten Leitung schaltet bevorzugt nach Füllung des internen H2-Speichers um, so dass dann der externe H2-Speicher befüllt wird.
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Der Elektrolyseur und/oder ein Verdichter für Wasserstoff und/oder ein Verdichter für Sauerstoff können mit einem Wärmetauscher gekoppelt sein, mit dem die Prozesswärme beispielsweise für Heizzwecke, Warmwasserbereitung und/oder anderweitig genutzt werden kann.
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Die erfindungsgemäße Anlage kann nach deren Anlaufen über extern zugeführte Energie über einen gewissen „Überbrückungszeitraum“ autark und unabhängig von einem externen Stromnetz betrieben werden.
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Die Gewährleistung der autonomen und autarken Arbeitsweise erfolgt durch einen entsprechend dimensionierten internen Wasserstoff-Zwischenspeicher, der einen systeminternen zweiten Generator mit Energie in Form von Wasserstoff versorgt. Dieser Zwischenspeicher wird gefüllt, während das System im Normalbetrieb Wasserstoff erzeugt. Der zweite interne Generator versorgt eine Steuerung mit dem benötigten Strom. Die Steuerung kontrolliert den Betriebszustand der Anlage und startet den Elektrolyseprozess, sobald ausreichend Primärenergie in Strom umgewandelt wird. Die Produkte aus dem bekannten Elektrolyseprozess (Wasserstoff, Sauerstoff) werden in entsprechenden Behältern gespeichert. Als Primärenergie können sämtliche elektrische Energiequellen genutzt werden. Die interne Schnittstelle wandelt diese Energie entsprechend der Anforderungen des Elektrolyseurs um. Daraus resultieren eine Modularisierung und die Möglichkeit der Kombination verschiedener Eingangsenergiequellen. Daneben kann ein Anschluss vorgesehen werden, der die überschüssige Energie, die durch den Elektrolyseur nicht verarbeiten kann, in ein Stromnetz überführt. Ebenfalls kann eine Wärmenutzungseinrichtung angebracht werden, die die entstehende Prozesswärme für externe Anwendung nutzt. Die getrennte Speicherung der Gase erfolgt mit Hilfe bekannter Technologien zur Speicherung von Wasser- und Sauerstoff.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und zugehöriger 1 näher erläutert.
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Gemäß 1 wird in einem ersten Generator 1 elektrische Energie erzeugt. Die im ersten Generator 1 erzeugte oder über einen externen Netzanschluss 2 zugeführte, elektrische Energie wird mittels einer Kabelverbindung zunächst in einen Stromwandler 3 und dann weiter zu einem Elektrolyseur 4 geleitet. Dieser Eletrolyseur 4 ist mit einer Wasserpumpe 5 verbunden, welche an einen Wasserspeicher 6 gekoppelt ist und dem Elektrolyseur 4 Wasser (Strich-Punkt-Linie) zuführt. Im Elektrolyseur 4 wird Wasser in einem Prozess in die Komponenten Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Der dabei freigesetzte Sauerstoff O2 (gepunktete Linie) wird über eine Leitung L1 zunächst der Reinigung und Trocknung 7 zugeführt, danach in einem O2-Verdichter 8 weiterverarbeitet und schließlich dem O2-Speicher 9 zugeführt, wo er über ein erstes 2/2-Wege Ventil 10 entnommen werden kann.
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In einem weiteren Teilprozess erzeugt der Elektrolyseur 4 Wasserstoff (gestrichelte Linie), welcher ebenfalls zunächst über eine Leitung L2 der Reinigung und Trocknung 11 zugeführt und dann in einem H2-Verdichter 12 weiterverarbeitet wird. Folglich gelangt der Wasserstoff zu einem 3/2-Wege Ventil 13, wo er entweder über die Leitung L2 einem externer H2-Speicher 14 zugeführt wird und dort über ein weiteres 2/2-Wege Ventil 15 entnommen werden kann oder über eine andere dritte Leitung L3 dem internen H2-Speicher 16 zugeführt wird. Dieser ist mit einem zweiten Generator 17 zur Eigenenergieversorgung verbunden ist, wobei der Generator mittels einer Kabelverbindung eine Steuerung 18 und die Wasserpumpe 5 mit elektrischer Energie versorgt. Sobald der interne H2-Speicher 16 gefüllt ist oder einen festgelegten Füllstand erreicht hat, wird das 3/2-Wege Ventil 13 mit Öffnung zu der zweiten Leitung L2 gestellt und der externe H2-Speicher 14 wird befüllt. Die im Elektrolyseur 4 und den beiden Verdichtern für Wasserstoff 12 und Sauerstoff 8 frei werdende Wärmeenergie (Strich-Doppelpunkt-Linie) kann an einen Wärmetauscher 19 geleitet werden und steht dann beispielsweise zur Warmwassererzeugung, Heizung, usw. zur Verfügung.
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Die vorliegende Erfindung betrifft somit eine Anlage, welche Strom aus regenerativen Energien in Wasserstoff zum Betanken von Fahrzeugen umwandelt, wobei durch einen internen Kreislauf ein Stand-By ohne Anschluss an zusätzliche Energiequellen gewährleistet werden kann, da aus dem internen Wasserstoffspeicher der Wasserstoff zur Erzeugung von Strom für das Betreiben der Anlage genutzt wird. Dies ermöglicht es der Anlage autark und autonom die Wasserstoffproduktion durchzuführen, gegebenenfalls zu unterbrechen und wieder zu starten – auch wenn kein Netzanschluss zur Verfügung steht und/oder der erste Generator nicht arbeitet.
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Es ist bekannt, dass der Fokus in aktullen ernergiepolitischen Diskussionen immer stärker in Richtung der regenerativen Energien rückt. Es gibt Indizien dafür, dass, durch den massiven und ausschließlichen Einsatz fossiler Energieträger, das Klima möglicherweise in nicht geringem Maße negativ beeinträchtig wird. Die erfindungsgemäße Anlage befasst sich mit zwei entscheidenden Problemen aller regenerativen Energien, nämlich der Unvorhersehbarkeit ihrer Verfügbarkeit und der Schwierigkeit sie zu speichern.
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Gerade im Bereich der Individualmobilität sind viele Menschen auf eine permanente Verfügbarkeit ihres Fahrzeugs angewiesen. Elektrofahrzeuge können zwar mit Strom aus regenerativen Energiequellen betankt werden, haben jedoch nur eine begrenzte Reichweite und benötigen mitunter sehr lange Ladezeit. Somit ist ihr Verfügbakeit teilweise eingeschränkt. Eine mögliche Lösung dieses Problem ist die Umwandlung der elektrischen in chemische Energie, zum Beispiel mittels Elektrolyse in Wasserstoff, um entsprechend ausgerüstete Fahrzeuge damit zu betreiben.
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Hierfür wurde mit der erfindungsgemäßen Anlage eine Lösung zum Betanken von Fahrzeugen geschaffen, welche autark und autonom ihre Arbeit verrichten kann, da diese durch ihre Art nicht an spezielle Gegebenheiten, außer der Verfügbarkeit von Wasser und einer regenerativen Energiequelle, gebunden ist, sondern autonom und autark Wasserstoff produzieren und zum Betanken von Fahrzeugen bereitstellen kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Generator
- 2
- Netzanschluss
- 3
- Stromwandler
- 4
- Elektrolyseur
- 5
- Wasserpumpe
- 6
- Wasserspeicher
- 7
- Reinigung und Trocknung Sauerstoff
- 8
- Sauerstoff-Verdichter
- 9
- Sauerstoff-Speicher
- 10
- 2/2-Wege-Ventil
- 11
- Reinigung und Trocknung Wasserstoff
- 12
- Wasserstoff-Verdichter
- 13
- 3/2-Wege-Ventil
- 14
- Externer Wasserstoff-Speicher
- 15
- 2/2-Wege-Ventil
- 16
- Interner Wasserstoff-Speicher
- 17
- Zweiter Generator
- 18
- Steuerung
- 19
- Wärmetauscher
- L1
- erste Leitung
- L2
- zweite Leitung
- L3
- dritte Leitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202010001737 U1 [0008, 0008]
- EP 1596052 A1 [0008]
- WO 2014/196921 A1 [0009]
