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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Luftversorgung einer stationären Brennstoffzellenanlage mit wenigstens zwei Brennstoffzellensystemen und einer gemeinsamen Luftversorgungseinheit, welche Druckluft in wenigstens einem Druckluftspeicher speichert, aus welchem die Brennstoffzellensysteme mit Luft versorgt werden.
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Den gattungsgemäßen Stand der Technik in der Sache zeigt die
DE 102 47 541 A1 . Diese beschreibt die Luftversorgung mehrerer paralleler Brennstoffzellensysteme mit einem Kompressor, der Luft an eine Speicherkammer zur Speicherung der Luft liefert. Die Brennstoffzellenuntersysteme sind mit dem Luftspeicher verbunden und erhalten von diesem ihre Luft. Der Aufbau ist hinsichtlich der Speicherung und des konstruktiven Aufwands des Kompressors, um die verdichtete Luft in den Luftspeicher einzubringen, deutlich einfacher und effizienter, als es ein Aufbau mit einer Vielzahl von einzelnen Kompressoren für jedes der Brennstoffzellensysteme wäre.
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Zum Zwischenspeichern von Energie aus regenerativer Erzeugung, z.B. mittels Wind und/oder Photovoltaik, ist es aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, Wasser über eine Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff aufzuspalten. Der Wasserstoff wird dann gespeichert und ggf. transportiert, um ihn zu einem späteren Zeitpunkt in einer Brennstoffzellenanlage zu verströmen, oder um ihn direkt zu verbrennen. Das Speichern und Transportieren von Wasserstoff ist jedoch extrem aufwändig. Einerseits hat Wasserstoff eine sehr geringe Energiedichte und andererseits sind Systeme mit Wasserstoff sehr komplex in der Abdichtung.
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Daher ist es z.B. aus der
DE 20 2012 010 190 U1 auch bekannt, Energie in Form von Druckluft zwischen zu speichern. Aus dieser wird dann bei Bedarf über einen Expander wieder mechanische Energie erzeugt, die einen Generator antreibt. Das Gesamtsystem hat dabei einen sehr schlechten Wirkungsgrad.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, die Luftversorgung einer stationären Brennstoffzellenanlage gegenüber dem Stand der Technik weiter zu verbessern und die Brennstoffzellenanlage möglichst energieeffizient zu betreiben.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale im Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Der erfindungsgemäße Aufbau sieht es, vergleichbar wie der Aufbau im oben genannten gattungsgemäßen Stand der Technik, vor, dass mehrere Brennstoffzellensysteme über eine zentrale Luftversorgungseinheit mit Luft versorgt werden. Die Brennstoffzellensysteme können dabei prinzipiell von beliebiger Bauart sein, beispielsweise auf der Basis von PEM-Brennstoffzellen, aber auch auf Basis von Mitteltemperatur-Brennstoffzellen oder Hochtemperatur-Brennstoffzellen, wie beispielsweise SOFC. Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, dass die Luftversorgungseinheit mit Energie, vorzugsweise elektrischer Energie, aus regenerativen Energiequellen und/oder Überschußerergie aus dem Stromnetz betrieben wird. Das allgemein bekannte Problem, dass regenerative Energiequellen, wie beispielsweise Photovoltaikenergie oder Windenergie, einer gewissen wetter- und tageszeitbedingten Fluktuation unterliegen, lässt sich durch diesen Aufbau außerordentlich einfach und effizient lösen. Der zentrale Druckluftspeicher oder auch eine größere Anzahl von dezentral verteilten Druckluftspeichern werden mit der einzigen gemeinsamen Luftversorgungseinheit mit Druckluft versorgt. Druckluft lässt sich dabei relativ gut speichern, sodass die regenerative Energie, welche in den Betrieb der Luftversorgungseinheit, also insbesondere eines Kompressors, „gesteckt“ worden ist, später bei der Verstromung der Luft zusammen mit Wasserstoff oder Erdgas in den einzelnen Brennstoffzellensystemen zu einem großen Teil wieder zurückgewonnen werden kann. Hierdurch lässt sich regenerativ anfallende Energie relativ einfach und effizient speichern. Dies gilt vergleichbar für Überschußßerergie aus einem Stromnetz, welche mit zunehmeden Anteil an regenerativer Stromerzeugung von Zeit zu Zeit typischerweise anfällt nicht direkt abgenommen/benötigt wird.
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Die Speicherung in Form von Druckluft, welche dann (später) in einer Brennstoffzellenanlage genutzt wird ist dabei energieeffizienter als es eine Elektrolyse von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff wäre. Ferner ist die Druckluft bei weitem einfacher zu transportieren und zu speichern ist, als der relativ schwer zu speichernde Wasserstoff. Die Verstromung in Brennstoffzellen ist sehr viel effizienter als eine Umsetzung der Druckluft über einen pneumatischen Motor und einen Generator.
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Da die Brennstoffzellensysteme sich dynamisch aus dem Druckspeicher mit Luft versorgen können, muss es hier keine Korrelation zwischen der Luftversorgung und dem Betrieb der Brennstoffzelle geben. Dies ermöglicht einerseits den Betrieb der Luftversorgungseinheit zu einem völlig anderen Zeitpunkt, als dann über die Brennstoffzellensysteme Strom erzeugt wird, und ermöglicht es andererseits die zentrale Luftversorgungseinheit optimal auszulegen bzw. in einem optimalen Betriebspunkt zu betreiben. Die anfallende Energie wird so mit sehr hohem Wirkungsgrad in der Druckluft gespeichert.
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Eine zentrale Luftversorgungseinheit ist ferner kostengünstiger und weniger wartungsanfällig als viele kleinere dezentrale Einheiten. Es werden insgesamt weniger Teile benötigt, was trotz der größeren Größe der einen Luftversorgungseinheit diese kostengünstiger macht, als es die Vielzahl von einzelnen dezentralen Luftversorgungseinheiten wäre. Gegebenenfalls kann auch auf eine vorhandene Druckluftanlage zurückgegriffen werden, was den Aufbau nochmals effizienter macht.
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Die eine zentrale Luftversorgungseinheit kann viel leichter als dezentrale Luftversorgungseinheiten schallisoliert werden und je nach Größe des Druckluftspeichers und zeitlichem Versatz zwischen der Lufterzeugung und ihrer Verwendung kann auf den Aufwand eines Ladeluftkühlers verzichtet werden. Die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzellenanlage mit den wenigstens zwei Brennstoffzellensystemen lässt sich dadurch letzten Endes steigern. Insbesondere muss nicht ein Anteil der von den Brennstoffzellensystemen erzeugten Leistung für die Luftversorgungseinheit aufgebracht werden, sondern diese bezieht ihre Energie aus regenerativen Quellen, wie beispielsweise Windrädern, Photovoltaikanlagen oder ähnlichem. Außerdem kann sie mit im Netz verfügbarer Überschussenergie betrieben werden, sodass ansonsten nicht verwendbare Energie in der Luftversorgungseinheit quasi umsonst zur Verfügung steht.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dabei vorgesehen, dass die Brennstoffzellensysteme räumlich getrennt voneinander und/oder von der gemeinsamen Luftversorgungseinheit angeordnet sind. Die Druckluft kann außerordentlich einfach und effizient über ein Verrohrungssystem, welches dann zumindest einen Teil des Druckluftspeichers ausbildet, auch über größere Strecken transportiert werden, ohne dass hierbei Gas verloren geht, wie es bei der Speicherung und dem Transport von Wasserstoff der Fall wäre. Außerdem kommt es im Falle einer Leckage nicht zu explosionsfähigen Gasgemischen.
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Ferner ist es so, dass die beispielsweise räumlich von der Luftversorgungeinheit getrennten Brennstoffzellensysteme sehr einfach und kompakt aufgebaut werden können, da sie zur Luftversorgung lediglich eine Ventileinrichtung und einen Luftmassenmesser bzw. eine Drosselklappe benötigen, was hinsichtlich des baulichen Aufwands und der erzeugten Lärmemissionen gegenüber dem Einsatz von dezentralen Luftversorgungseinrichtungen ein entscheidender Vorteil ist.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich auch aus den weiteren abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figur näher dargestellt ist.
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Die einzige beigefügte Figur zeigt ein Schema zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In der einzigen Figur bildet den Kern des Aufbaus eine mit 1 bezeichnete Brennstoffzellenanlage, welche über in diesem Beispiel vier einzelne Brennstoffzellensysteme 1.1, 1.2, 1.3 und 1.4 verfügt. Jedes der Brennstoffzellensysteme weist ein Ventil 2.1 bis 2.4, eine Drosselklappe 3.1 bis 3.4 und einen Massenstromsensor 4.1 bis 4.4 auf. Die einzelnen Brennstoffzellensysteme 1.1 bis 1.4 sind über eine Druckluftleitung beliebiger Länge, welche hier beispielhaft mit 5 bezeichnet ist, mit einer Luftversorgungseinheit 6 verbunden. Diese Luftversorgungseinheit 6 umfasst im Wesentlichen einen über einen Elektromotor 7 angetriebenen Kompressor 8, welcher über einen Luftfilter 9 Luft aus der Umgebung ansaugt und verdichtet. Über einen optionalen, in vielen Fällen nicht benötigten Ladeluftkühler 10 und eine Ventileinrichtung 11 strömt diese Luft in einen zentralen Druckluftspeicher 12, welcher hier beispielhaft innerhalb der Luftversorgungseinheit 6 angedeutet ist. Über eine weitere Ventileinrichtung 13 ist dieser zentrale Druckluftspeicher 12 mit den Druckleitungen 5 zu den einzelnen Brennstoffzellensystemen 1.2 bis 1.4 der Brennstoffzellenanlage 1 verbunden.
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Ein Kontrollsystem 14 kontrolliert sowohl die Luftversorgung 6 als auch die einzelnen Brennstoffzellensysteme 1.1 bis 1.4, und hier insbesondere ihre Versorgung mit Luft als Sauerstofflieferant, wie es rein beispielhaft am Brennstoffzellensystem 1.1 angedeutet ist. Die Versorgung der Brennstoffzellensysteme 1.1 bis 1.4 mit Luft erfolgt also letzten Endes aus dem zentralen Druckluftspeicher 12 heraus, welcher in anderen Anwendungsfällen selbstverständlich auch in Form von einer Vielzahl von Einzelspeichern, welche über einen zentralen Kompressor 8 mit Druckluft versorgt werden, realisiert werden könnte. Die benötigte Luft für die einzelnen Brennstoffzellensysteme 1.1 bis 1.4 wird über die Ventileinrichtung 2.1 bis 2.4, die Drosselklappe 3.1 bis 3.4 und den Massenstromsensor 4.1 bis 4.4 entsprechend eingestellt, um das jeweilige Brennstoffzellensystem 1.1 bis 1.4 zum jeweiligen Zeitpunkt mit der von ihm benötigten Luftmenge bzw. dem vom ihm benötigten Luftmassenstrom zu versorgen. Im Gegensatz zu einem dezentralen Kompressor verursacht dies kaum Lärm, so dass die Brennstoffzellensysteme 1.1 bis 1.4 sehr leise sind.
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Dabei ist es völlig unabhängig, zu welchem Zeitpunkt der Kompressor 8 der Luftversorgungseinheit 6 die Luft in den zentralen Druckluftspeicher 12 fördert, solange beim Betrieb zumindest eines der Brennstoffzellensysteme 1.1 bis 1.4 noch ein genügendes Druckniveau in dem zentralen Druckluftspeicher 12 und der Druckluftleitung 5 als Erweiterung desselben vorhanden ist. Es bietet sich deshalb an, den elektrischen Motor 7 für den Kompressor 8 mit regenerativer Energie oder Überschussenergie aus einem Stromnetz zu betreiben, um dann zu einem späteren Zeitpunkt über die Druckluft als Teil der Edukte Energie in den Brennstoffzellensystemen 1,1 bis 1.4 zu erzeugen. Rein beispielhaft ist zu diesem Zweck ein Umrichter 15 an dem elektrischen Motor 7 des Kompressors 8 dargestellt, welcher einerseits mit einem Stromnetz 16 und andererseits mit einer beispielhaften Photovoltaikanlage 17 und einem Windpark 18 verbunden ist.
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Über Überschussenergie aus dem Netz 16 und vor allem regenerativ erzeugter Energie von der Photovoltaikanlage 17 und aus dem Windpark 18 wird nun also der Kompressor 8 angetrieben und speichert die von ihm verdichtete Luft in dem hier beispielhaft angedeuteten zentralen Druckluftspeicher 12 zwischen. Diese Luft kann dann zu einem späteren Zeitpunkt zum Betrieb der Brennstoffzellensysteme 1.1 bis 1.4 der Brennstoffzellenanlage 1 genutzt werden, um so nicht nur die Vorteile einer zentralen Luftversorgung mit nur einem einzigen optimierten Kompressor 8 zu nutzen, sondern auch die hochdynamisch entstehende regenerative Energie der Photovoltaikanlage 17 und des Windparks 18 zu einem Teil zwischenzuspeichern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10247541 A1 [0002]
- DE 202012010190 U1 [0004]
- CN 204553176 U [0005]
- DE 102015001352 A1 [0005]
- DE 102006016552 A1 [0005]