DE102019204664A1 - System for the self-sufficient provision of energy sources for motor vehicles - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine als Sektorenanlage bezeichnete Anlage zur autarken Bereitstellung von alternativen Energieträgern für Kraftfahrzeuge. Die Anlage umfasst eine Stromerzeugungsvorrichtung (2) mit zumindest einer Windkraftanlage (3) und/oder zumindest einer Photovoltaikanlage (4). Eine Vorrichtung (13) ermöglicht die Erzeugung von Wasserstoff durch elektrochemische Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff, wobei über zumindest eine Gasentnahmestelle (20-1,...,20-n) Wasserstoff durch ein mit Wasserstoff betriebenes Kraftfahrzeug entnommen werden kann. Ferner umfasst die Anlage (1) zumindest eine Stromentnahmestelle (21-1,...,21-m) zur Entnahme von elektrischer Energie für eine Batterie eines elektrisch oder hybrid-elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs. In einem wieder aufladbaren Energiespeicher (5) wird von der Stromerzeugungsvorrichtung (2) erzeugter und nicht verbrauchter Strom für eine spätere Entnahme gespeichert. Die Vorrichtung (13) zur Erzeugung von Wasserstoff und/oder die zumindest eine Stromentnahmestelle (21-1,...,21-m) werden von der Stromerzeugungsvorrichtung (2) und/oder aus dem wieder aufladbaren Energiespeicher (5) und/oder aus einem öffentlichen Stromnetz (11) mit Energie versorgt, wobei die Stromerzeugungsvorrichtung (2), die Vorrichtung (13) zur Erzeugung von Wasserstoff und der wieder aufladbare Energiespeicher (5) am Ort der zumindest einen Gasentnahmestelle (20-1,...,20-n) und der zumindest einen Stromentnahmestelle (21-1,...,21-m) angeordnet sind.The invention relates to a system called a sector system for the self-sufficient provision of alternative energy sources for motor vehicles. The system comprises a power generation device (2) with at least one wind turbine (3) and / or at least one photovoltaic system (4). A device (13) enables hydrogen to be generated by electrochemical splitting of water into hydrogen and oxygen, with hydrogen being able to be withdrawn by a hydrogen-powered motor vehicle via at least one gas withdrawal point (20-1, ..., 20-n). Furthermore, the system (1) comprises at least one power withdrawal point (21-1, ..., 21-m) for withdrawing electrical energy for a battery of an electrically or hybrid-electrically operated motor vehicle. Electricity generated by the electricity generating device (2) and not used is stored in a rechargeable energy store (5) for later withdrawal. The device (13) for generating hydrogen and / or the at least one power take-off point (21-1, ..., 21-m) are from the power generating device (2) and / or from the rechargeable energy store (5) and / or supplied with energy from a public power grid (11), the power generating device (2), the device (13) for generating hydrogen and the rechargeable energy store (5) at the location of the at least one gas extraction point (20-1, ..., 20-n) and the at least one power take-off point (21-1, ..., 21-m) are arranged.
Description
Die Erfindung betrifft eine Anlage zur autarken Bereitstellung von Energieträgern für Kraftfahrzeuge. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Anlage zur autarken Bereitstellung von alternativen Energieträgern.The invention relates to a system for the self-sufficient provision of energy sources for motor vehicles. In particular, the invention relates to a system for the self-sufficient provision of alternative energy sources.
Die Anzahl der in Deutschland zugelassenen elektrisch betriebenen Fahrzeuge (E-Fahrzeug) beträgt derzeit etwa 200.000. Zu elektrisch betriebenen Fahrzeugen zählen neben rein Batterie-elektrisch betriebenen Fahrzeugen auch sog. Hybrid-Fahrzeuge, welche eine Kombination aus Verbrennungsmotor und Elektroantrieb als Antriebsquellen umfassen. Die Anzahl elektrisch betriebener Fahrzeuge soll in der Zukunft stark erhöht werden, um den lokalen Ausstoß von CO2 im Verkehrssektor zu verringern. Eine gute Lade-Infrastruktur für die elektrisch betriebenen Fahrzeuge ist daher unabdingbar. Nach aktuellen Statistiken gibt es aktuell rund 5.000 öffentliche Ladesäulen, an denen die elektrisch betriebenen Fahrzeuge geladen werden können. Der Zugang und die Handhabung der Ladesäulen ist für Besitzer der elektrisch betriebenen Fahrzeuge allerdings immer noch kompliziert und mit hohen Kosten verbunden. The number of electrically powered vehicles (e-vehicles) registered in Germany is currently around 200,000. In addition to purely battery-electric vehicles, electrically powered vehicles also include so-called hybrid vehicles, which include a combination of combustion engine and electric drive as drive sources. The number of electrically powered vehicles is to be increased significantly in the future in order to reduce local emissions of CO 2 in the transport sector. A good charging infrastructure for electrically powered vehicles is therefore essential. According to current statistics, there are currently around 5,000 public charging stations at which the electrically powered vehicles can be charged. However, access to and handling of the charging stations is still complicated and costly for owners of electrically powered vehicles.
Aufgrund der erst im Aufbau befindlichen Lade-Infrastruktur existieren, insbesondere aufgrund unterschiedlicher Ladesäulen-Betreiber, regional unterschiedliche Technologien. Neben der Handhabung der Ladesäulen, die je nach Betreiber unterschiedlich sein kann, sind auch die von den Betreibern verwendeten Geschäftsmodelle höchst unterschiedlich, was sich in unterschiedlichen Abrechnungsmodellen und unterschiedlichen Preisen und/oder Ladezeiträumen bemerkbar macht. Auch die Zugangsvoraussetzungen sind unterschiedlich. An einem Ladepunkt muss sich ein Nutzer beispielsweise per SMS anmelden, an einem anderen wird eine App des betreffenden Betreibers der Ladesäulen benötigt. Teilweise sind Ladekarten und eine Vorabregistrierung auf einer Webseite erforderlich.Due to the charging infrastructure that is only being set up, regionally different technologies exist, especially due to different charging station operators. In addition to the handling of the charging stations, which can differ depending on the operator, the business models used by the operators are also very different, which is noticeable in different billing models and different prices and / or charging periods. The entry requirements are also different. At one charging point, a user has to log in via SMS, for example, at another one needs an app from the respective charging station operator. Charging cards and pre-registration on a website are sometimes required.
Für die erfolgreiche Umsetzung einer in Zukunft angestrebten E-Mobilität wird daher nicht die Anzahl der elektrisch betriebenen Fahrzeuge, sondern die Menge gleichzeitiger Ladevorgänge betrachtet. Da auch die Zeit zum Laden eines Batteriespeichers eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs eine große Rolle spielt, können nur ausreichend leistungsfähige Schnell-Ladestationen die Akzeptanz für die neue Mobilität erhöhen und letztendlich ermöglichen. Im Hinblick auf die Netzstabilität wird jedoch befürchtet, dass das Niederspannungsnetz nicht für große Mengen an elektrisch betriebenen Fahrzeugen und gleichzeitige Ladevorgänge ausgelegt ist. Schon bei einer Quote von 30 % von elektrisch betriebenen Fahrzeugen kann es zu flächendeckenden Stromausfällen kommen. Um dies zu vermeiden und höhere Quoten von elektrisch betriebenen Fahrzeugen zu ermöglichen, sind daher große Investitionen in den Netzausbau, d.h. die Energieübertragungsstruktur, erforderlich.For the successful implementation of future e-mobility, it is not the number of electrically operated vehicles that is considered, but the number of simultaneous charging processes. Since the time it takes to charge a battery storage device in an electrically powered vehicle also plays a major role, only sufficiently powerful fast charging stations can increase and ultimately enable the acceptance of the new mobility. With regard to network stability, however, it is feared that the low-voltage network is not designed for large numbers of electrically operated vehicles and simultaneous charging processes. Even with a quota of 30% of electrically powered vehicles, widespread power outages can occur. In order to avoid this and to enable higher quotas of electrically powered vehicles, large investments in network expansion, i.e. the energy transfer structure, is required.
Da elektrisch betriebene Fahrzeuge für das Transport- und Beförderungswesen als ungeeignet betrachtet werden, spielt der Wasserstoff als Energieträger und Mobilitätstreibstoff eine große Rolle, da dieser durch herkömmliche Betankungsvorgänge in entsprechende Druckspeicher von mit Wasserstoff betriebenen Fahrzeugen betankt werden kann. Hierzu werden derzeit vereinzelt Brennstoffzellen-Fahrzeuge (H2-Fahrzeuge) auf den Markt gebracht. Die Verbreitung dieser emissionsfreien Fahrzeuge hängt stark von der Anzahl der zugänglichen Wasserstofftankstellen ab, die derzeit noch gering ist. So ist geplant, in Deutschland die Anzahl der Wasserstofftankstellen auf 400 im Jahr 2023 auszubauen.Since electrically powered vehicles are considered unsuitable for transport and transportation, hydrogen plays a major role as an energy carrier and mobility fuel, as it can be refueled by conventional refueling processes in corresponding pressure storage devices in hydrogen-powered vehicles. For this purpose, fuel cell vehicles (H 2 vehicles) are currently being brought onto the market. The spread of these emission-free vehicles depends heavily on the number of accessible hydrogen filling stations, which is currently still low. It is planned to increase the number of hydrogen filling stations in Germany to 400 in 2023.
Zur Erzeugung von Strom werden vermehrt Photovoltaikanlangen und Windkraftanlagen eingesetzt. Da Photovoltaikanlagen jedoch nur bei Lichteinstrahlung und Windkraftanlagen bei Windstrom produzieren, fallen die Zeiträume der Stromproduktion und der Stromnutzung nicht immer zusammen. Insbesondere bei zunehmender Anzahl an Kleinanlagen, wie sie z.B. auf Dächern von Wohngebäuden eingesetzt werden, ist es daher sinnvoll, die gewonnene Energie in Batterien zu speichern. Eine Alternative ist die Erzeugung von Wasserstoff durch elektrolytische Spaltung von Wasser und eine Speicherung des Wasserstoffs. Dieser kann dann bei Bedarf in einer Brennstoffzelle, z.B. dem erwähnten Brennstoffzellen-Fahrzeug, zur Stromerzeugung genutzt werden.Photovoltaic systems and wind turbines are increasingly being used to generate electricity. However, since photovoltaic systems only produce electricity when exposed to light and wind power plants produce electricity from wind, the periods of electricity production and electricity use do not always coincide. In particular with an increasing number of small systems, as e.g. are used on the roofs of residential buildings, it makes sense to store the energy gained in batteries. An alternative is the generation of hydrogen by electrolytic splitting of water and storage of the hydrogen. This can then, if necessary, in a fuel cell, e.g. the aforementioned fuel cell vehicle, can be used to generate electricity.
Aus der
Eine derartige für den Privatbereich ausgelegte Anlage zum Bereitstellen von Wasserstoff kann jedoch nicht ausreichend energieautark betriebene werden, was sowohl aus ökologischer als auch aus ökonomischer Sicht wünschenswert wäre. Insbesondere besteht das Problem, dass bei einer Vielzahl derartiger Anlagen, signifikante Strommengen über das öffentliche Stromnetz transportiert werden müssen, was die derzeit existierende Netzinfrastruktur an den Rand der Belastbarkeit bringen kann.Such a system designed for the private sector for the provision of hydrogen can However, they cannot be operated with sufficient energy self-sufficiency, which would be desirable from both an ecological and an economic point of view. In particular, there is the problem that with a large number of such systems, significant amounts of electricity have to be transported via the public electricity network, which can bring the currently existing network infrastructure to the limit of its capacity.
Es besteht daher das Bedürfnis, eine Anlage zur Bereitstellung von Energieträgern für Fahrzeuge anzugeben, welche im Grundsatz energieautark ist.There is therefore a need to specify a system for providing energy sources for vehicles, which in principle is energy self-sufficient.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Anlage gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.This object is achieved by a system according to the features of
Es wird eine Anlage zur autarken Bereitstellung von Energieträgern für Kraftfahrzeuge vorgeschlagen. Diese Anlage stellt eine sog. Sektorenanlage dar. Energieträger für Kraftfahrzeuge im Sinne der vorliegenden Beschreibung sind Strom für elektrisch betriebene Fahrzeuge sowie mit Wasserstoff betriebene Fahrzeuge. Unter elektrisch betriebenen Fahrzeugen sind all solche Fahrzeuge zu verstehen, welche zumindest einen Elektromotor als Antriebsquelle umfassen. Hierunter fallen rein Batterie-elektrisch betriebene Fahrzeuge, Hybrid-elektrisch betriebene Fahrzeuge, welche neben einem Elektromotor auch einen Verbrennungsmotor als Antriebsquelle umfassen. Auch der Begriff der Kraftfahrzeuge ist weit zu verstehen. Hierunter fallen Personenkraftfahrzeuge, Lastkraftfahrzeuge, zweispurige Fahrzeuge, einspurige Fahrzeuge (Motorräder, Roller) sowie Luftfahrzeuge.A system for the self-sufficient provision of energy sources for motor vehicles is proposed. This system represents a so-called sector system. Energy carriers for motor vehicles in the sense of the present description are electricity for electrically operated vehicles as well as vehicles operated with hydrogen. Electrically operated vehicles are to be understood as meaning all vehicles which include at least one electric motor as a drive source. This includes purely battery-powered vehicles, hybrid-electrically powered vehicles which, in addition to an electric motor, also include an internal combustion engine as a drive source. The term motor vehicle is also to be understood broadly. This includes passenger vehicles, trucks, two-track vehicles, single-track vehicles (motorcycles, scooters) and aircraft.
Die Anlage umfasst eine Stromerzeugungsvorrichtung zur Erzeugung von Strom. Die Stromerzeugungsvorrichtung umfasst entweder eine oder mehrere Windkraftanlagen oder eine oder mehrere Photovoltaikanlagen oder eine Kombination aus Windkraftanlage(n) und Photovoltaikanlage(n). Die Stromerzeugungsvorrichtung kann optional oder alternativ auch weitere regenerative Energiequellen, wie z.B. Laufwasseranlagen und dergleichen, umfassen. Die Anlage umfasst ferner eine Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff durch elektrochemische Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Ferner ist zumindest eine Gasentnahmestelle zur Entnahme von Wasserstoff durch ein mit Wasserstoff betriebenes Kraftfahrzeug vorgesehen. Unter einem mit Wasserstoff betriebenen Kraftfahrzeug werden sowohl Personenkraftfahrzeuge als auch Lastkraftfahrzeuge, die entweder zur Personenbeförderung oder zum Transport von Lasten dienen, verstanden. Schließlich umfasst die Anlage eine Steuerungseinheit zur Steuerung der Komponenten der Anlage. Ferner ist zumindest eine Stromentnahmestelle zur Entnahme von elektrischer Energie für eine Batterie eines elektrisch oder Hybrid-elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs vorgesehen. Die Anlage umfasst weiter einen wieder aufladbaren Energiespeicher, in dem von der Stromerzeugungsvorrichtung erzeugter und nicht verbrauchter Strom für eine spätere Entnahme gespeichert wird. Die Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff und/oder die zumindest eine Stromentnahmestelle werden von der Stromerzeugungsvorrichtung und/oder dem wieder aufladbaren Energiespeicher und/oder aus einem öffentlichen Stromnetz mit Energie versorgt. Die Stromerzeugungsvorrichtung, die Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff und der wiederaufladbare Energiespeicher sind am Ort der zumindest einen Gasentnahmestelle und der zumindest einen Stromentnahmestelle angeordnet.The plant includes a power generating device for generating power. The power generation device comprises either one or more wind power plants or one or more photovoltaic plants or a combination of wind power plant (s) and photovoltaic plant (s). The power generation device can optionally or alternatively also contain other renewable energy sources, such as e.g. Running water systems and the like. The plant also includes a device for generating hydrogen by electrochemical splitting of water into hydrogen and oxygen. Furthermore, at least one gas extraction point is provided for the extraction of hydrogen by a motor vehicle operated with hydrogen. A hydrogen-powered motor vehicle is understood to mean both passenger vehicles and trucks that are used either to transport people or to transport loads. Finally, the system includes a control unit for controlling the components of the system. Furthermore, at least one current withdrawal point is provided for withdrawing electrical energy for a battery of an electrically or hybrid-electrically operated motor vehicle. The system further comprises a rechargeable energy store, in which electricity generated by the electricity generating device and not consumed is stored for later withdrawal. The device for generating hydrogen and / or the at least one power extraction point are supplied with energy from the power generating device and / or the rechargeable energy store and / or from a public power grid. The power generation device, the device for generating hydrogen and the rechargeable energy store are arranged at the location of the at least one gas extraction point and the at least one power extraction point.
Die vorgeschlagene Anlage zur Bereitstellung von Energieträgern für Kraftfahrzeuge ist autark, da die für eine E-/H2-Mobilität erforderlichen Komponenten der Energieerzeugung, der Energiespeicherung sowie der Abgabestellen an einem Ort räumlich konzentriert angeordnet sind. Durch die Kombination der an sich bekannten Technologien zur Erzeugung von Strom, zur Erzeugung von Wasserstoff, zur Speicherung von aktuell nicht verbrauchtem Strom sowie der Entnahmestellen für Strom und Wasserstoff ist es möglich, die Anlage nicht nur in höchstem Maße autark zu betreiben, sondern mit der derzeitigen Netzinfrastruktur zur Verteilung von Strom ohne Änderungen auszukommen. Eine Erweiterung oder ein Ausbau der Netzinfrastruktur braucht auch dann nicht vorgenommen werden, wenn die Quote an elektrisch und/oder mit Wasserstoff betriebenen Fahrzeugen die bislang als kritisch erachteten Schwelle von 30 % oder mehr übersteigt.The proposed system for the provision of energy sources for motor vehicles is self-sufficient, since the components of energy generation, energy storage and delivery points required for E / H 2 mobility are spatially concentrated in one place. By combining the technologies known per se for generating electricity, for generating hydrogen, for storing electricity that is currently not consumed, as well as the extraction points for electricity and hydrogen, it is possible not only to operate the plant to the highest degree independently, but also with the current network infrastructure for the distribution of electricity without changes. An expansion or expansion of the network infrastructure does not need to be undertaken if the quota of electrically and / or hydrogen-powered vehicles exceeds the threshold of 30% or more that was previously considered critical.
Dadurch, dass der für das Laden von Batteriespeichern elektrisch betriebener Fahrzeuge am Ort der Stromabgabe erzeugt wird, ebenso wie der für die Erzeugung von Wasserstoff benötigte Strom, ist es nicht erforderlich, dafür erforderliche Strommengen über das öffentliche Leitungsnetz zu transportieren. Eine gegebenenfalls überschüssige Stromproduktion wird für den späteren Verbrauch in dem wieder aufladbaren Energiespeicher zwischengespeichert. Ein Strombezug aus oder eine Stromabgabe in das öffentliche Stromnetz ist daher nur in Ausnahmefällen, z.B. bei extremen Wetterbedingungen und/oder Zeiten erhöhter Nachfrage nach Strom, erforderlich.The fact that the electricity used to charge battery storage devices for electrically operated vehicles is generated at the point of electricity delivery, as is the electricity required for the generation of hydrogen, means that it is not necessary to transport the required amounts of electricity via the public grid. Any excess electricity produced is temporarily stored in the rechargeable energy store for later consumption. A purchase of electricity from or a supply of electricity to the public power grid is therefore only permitted in exceptional cases, e.g. in extreme weather conditions and / or times of increased demand for electricity.
Die Kombination der für die Erzeugung und Abnahme von Wasserstoff erforderlichen Komponenten mit den für die Erzeugung, Speicherung und Abnahme von Strom erforderlichen Komponenten an einem Ort ermöglicht es, in Zeiten, zu denen mit der Stromerzeugungsvorrichtung Strom erzeugt wird, welcher an der zumindest einen Stromentnahmestelle zur Entnahme von elektrischer Energie gegenwärtig nicht entnommen wird, wahlweise in dem wiederaufladbaren Energiespeicher und/oder zur Erzeugung von Wasserstoff durch elektrochemische Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu verwenden.The combination of the components required for the generation and purchase of hydrogen with the components required for the generation, storage and purchase of electricity in one place makes it possible, in times when electricity is generated with the electricity generating device, which is supplied to the at least one electricity tapping point Withdrawal of electrical energy is currently not withdrawn, optionally in the to use rechargeable energy storage and / or to generate hydrogen by electrochemical splitting of water into hydrogen and oxygen.
Die Bereitstellung einer Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff am Ort der Stromerzeugungsvorrichtung und des wiederaufladbaren Energiespeichers ermöglicht es, den Energiespeicher wesentlich kleiner zu dimensionieren im Vergleich zu einer Situation, in der die Komponenten zur Erzeugung und Abnahme von Wasserstoff nicht vorgesehen sind. Insbesondere ist es durch eine derartige Kombination von an sich bekannten Technologien möglich, Lastspitzen bei der Produktion von Strom sinnvoll zu nutzen, ohne damit das öffentliche Netz zu belasten und den Strom ggf. zu ungünstigen Bedingungen an andere Abnehmer, ggf. sogar gegen Bezahlung, abgeben zu müssen.The provision of a device for generating hydrogen at the location of the power generating device and the rechargeable energy storage device makes it possible to dimension the energy storage device much smaller compared to a situation in which the components for generating and consuming hydrogen are not provided. In particular, such a combination of technologies known per se makes it possible to sensibly use peak loads in the production of electricity without burdening the public grid and possibly delivering the electricity to other consumers under unfavorable conditions, possibly even against payment to have to.
Durch die Verbindung der einzelnen technischen Einheiten (Komponenten zur Erzeugung und Abnahme von Wasserstoff, Komponenten zur Erzeugung und Abnahme von Strom sowie die Komponenten zur Speicherung von Strom) zu einem großen Verbund, ergibt sich ein Sektorenverbund, der durch Autarkie negative Effekte der E-/H2-Mobilität neutralisiert. Durch die vorgeschlagene Anlage werden die Sektoren der Versorgung, der Netzstabilität, der E-Mobilität, der H2-Mobilität und der Speicherung überschüssiger Energie kombiniert. Hierdurch geben sich vielfältige synergetische Effekte, welche ohne den vorgeschlagenen Verbund der Anlage nicht möglich sind.The connection of the individual technical units (components for the generation and purchase of hydrogen, components for the generation and purchase of electricity as well as the components for the storage of electricity) to a large network results in a sector network that, through self-sufficiency, has negative effects of the E- / H 2 mobility neutralized. The proposed system combines the sectors of supply, network stability, e-mobility, H 2 mobility and the storage of excess energy. This results in a variety of synergetic effects which are not possible without the proposed combination of the system.
Der Energiespeicher kann bei prognostizierten niedrigen Wind- und Sonnenaufkommen mit Energievolumen aus dem Handel im Regelmarkt und Intradaymarkt zum Null-Tarif beladen werden. Die Steuerungseinheit, gesteuert über einen Leitstand (mit 24/7 Betrieb), ermöglicht einen Ausgleich des unstetigen Angebots von Wind- und Sonnenstrom und dadurch eine Entlastung des öffentlichen Stromnetzes.The energy storage system can be charged with energy volumes from trading in the control market and intraday market at zero tariff if the forecast is low wind and sun. The control unit, controlled by a control center (with 24/7 operation), enables the unsteady supply of wind and solar power to be balanced out, thereby relieving the public power grid.
Der Energiespeicher besteht aus einer Anzahl an Energiespeichereinheiten, z.B. bei einer Leistung von 10MW aus 50 Einheiten je 200KW. Jede einzelne Energiespeichereinheit kann unabhängig vom gesamten System geladen und entladen werden. Zu diesem Zweck ist jede Energiespeichereinheit steuerbar. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass der Energiespeicher zeitgleich von den Stromerzeugungsanlagen geladen und über die Verbraucher (Stromentnahmestellen und/oder Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff) entladen werden kann. Die Steuerungseinheit, die auch als Managementsystem bezeichnet wird, ermöglicht auch beim Ladeprozess von Fahrzeugen und der Herstellung von Wasserstoff die zeitgleiche Stromzuführung über den Energiespeicher sowie die Stromerzeugungsvorrichtung.The energy storage consists of a number of energy storage units, e.g. with an output of 10MW from 50 units each 200KW. Each individual energy storage unit can be charged and discharged independently of the entire system. Each energy storage unit can be controlled for this purpose. This results in the advantage that the energy storage device can be charged by the power generation systems and discharged at the same time via the consumers (power take-off points and / or device for generating hydrogen). The control unit, which is also referred to as a management system, enables the simultaneous power supply via the energy storage device and the power generation device during the charging process of vehicles and the production of hydrogen.
Des Weiteren ermöglicht die vorgeschlagene Anlage parallel zu dem oben beschrieben Prozess den Handel im Intradaymarkt, um bei Zeiten von negativen Preisen Energie einzukaufen, diese zu speichern oder zu verbrauchen. Auch der Einsatz im Regelmarkt wird dadurch parallel ermöglicht.Furthermore, parallel to the process described above, the proposed system enables trading in the intraday market in order to buy energy, store or consume it when prices are negative. This also enables use in the control market in parallel.
Die Anlage ist ferner Smart-Grid fähig. Hierzu verfügt die Steuerungseinheit über die Möglichkeit, über eine Datenschnittstelle (z.B. einer Schnittstelle zwischen Umspannwerk-Netzanschluss der Steuerungseinheit) mit externen Dienstleistern, insbesondere mit Energieversorgem und Netzbetreibern, sowie mit Wetterdiensten zur Vorhersage der Leistung der Anlagen zur Stromerzeugung zu kommunizieren.The system is also smart grid capable. For this purpose, the control unit has the option of communicating via a data interface (e.g. an interface between the substation network connection of the control unit) with external service providers, in particular with energy suppliers and network operators, as well as with weather services for predicting the performance of the systems for power generation.
Die Anlage ist dazu ausgebildet, Regelenergie (Primär- und Sekundärreserve) an einen Netzbetreiber anzubieten. Mit dieser allgemein als „Smart Grid“ bezeichneten Funktionalität kann auf intelligente Weise das (öffentliche) Stromnetz effektiv entlastet werden. So kann beispielsweise an einem sonnigen Tag aufgrund der sehr hohen Netzeinspeisung von bestehenden Photovoltaikanlagen bei gleichzeitig niedrigem Stromverbrauch ein Überangebot im lokalen/überregionalen Stromnetz vorhanden sein, das der Netzbetreiber nicht effizient ausgleichen kann. In diesem Fall kann der Energiespeicher, wenn er einen niedrigen Ladezustand aufweist, mit Strom aus dem öffentlichen Stromnetz aufgeladen werden. Das öffentliche Stromnetz wird dadurch effektiv entlastet.The system is designed to offer control energy (primary and secondary reserve) to a network operator. With this functionality, generally known as “Smart Grid”, the (public) power grid can be effectively relieved in an intelligent way. For example, on a sunny day, there may be an oversupply in the local / supraregional power grid due to the very high feed-in from existing photovoltaic systems with low power consumption, which the grid operator cannot efficiently compensate for. In this case, the energy store, when it has a low state of charge, can be charged with electricity from the public grid. This effectively relieves the public power grid.
Eine zweckmäßige Ausgestaltung sieht vor, dass die Stromerzeugungsvorrichtung, die Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff und der wiederaufladbare Energiespeicher unter Berücksichtigung einer erwarteten Gasentnahme und/oder einer erwarteten Stromentnahme derart dimensioniert sind, dass ein Energie-autarker Betrieb der Anlage an 80 % der Jahrestage ermöglicht ist. Die Dimensionierung der verschiedenen Komponenten erfolgt vorzugsweise derart, dass ein Energie-autarker Betrieb der Anlage nicht mit 100 % möglich ist, da dies zu einer starken Überdimensionierung der jeweiligen Komponenten führen würde. Da aus gesetzlichen Gründen ohnehin eine Anbindung an das öffentliche Stromnetz erforderlich ist, kann an einer bestimmten Anzahl von Jahrestagen auch ein nicht-energie-autarker Betrieb der Anlage akzeptiert werden. Die Dimensionierung der Komponenten sowie der Grad der erwünschten Energieautarkie in Bezug auf eine Anzahl von Tagen im Jahr kann durch Modellrechnungen, Versuche und dergleichen bestimmt werden. Insbesondere können dabei auch ökonomische Überlegungen einbezogen werden.An expedient embodiment provides that the power generation device, the device for generating hydrogen and the rechargeable energy storage device are dimensioned, taking into account an expected gas extraction and / or an expected current extraction, so that the system can operate independently of energy on 80% of the anniversaries . The various components are preferably dimensioned in such a way that an energy-independent operation of the system is not possible with 100%, since this would lead to a significant oversizing of the respective components. Since a connection to the public power grid is required anyway for legal reasons, a non-energy self-sufficient operation of the system can also be accepted on a certain number of anniversaries. The dimensioning of the components and the degree of the desired energy self-sufficiency in relation to a number of days per year can be determined by model calculations, tests and the like. In particular, economic considerations can also be included.
Es ist weiterhin zweckmäßig, dass die Anlage eine Mehrzahl an Gasentnahmestellen zur gleichzeitigen Entnahme von Wasserstoff durch mit Wasserstoff betriebene Kraftfahrzeuge aufweist. Hierdurch kann die Anlage, ähnlich den derzeit bekannten Versorgungsanlagen (Tankstellen) aufgebaut werden, so dass eine Vielzahl von Kraftfahrzeugen und/oder Lastkraftwagen gleichzeitig mit Wasserstoff betankt werden können. Hierdurch wird die für einen Betankungsvorgang einschließlich An- und Abfahrt sowie gegebenenfalls erforderliche Wartezeit benötigte Zeit auf ein Minimum reduziert. Die genaue Anzahl der Mehrzahl an Gasentnahmestellen kann dabei flexibel an die Anzahl von mit Wasserstoff betriebenen Kraftfahrzeugen angepasst werden. Insbesondere kann die Anlage derart konzipiert werden, dass eine Erweiterung der Anzahl der Gasentnahmestellen mit zunehmender Anzahl von auf öffentlichen Straßen verkehrenden, mit Wasserstoff betriebenen Fahrzeugen erfolgt.It is also expedient for the system to have a plurality of gas withdrawal points for the simultaneous withdrawal of hydrogen by motor vehicles operated with hydrogen. As a result, the system can be constructed in a manner similar to the currently known supply systems (filling stations) so that a large number of motor vehicles and / or trucks can be refueled with hydrogen at the same time. As a result, the time required for a refueling process including arrival and departure as well as any necessary waiting time is reduced to a minimum. The exact number of the plurality of gas withdrawal points can be flexibly adapted to the number of hydrogen-powered motor vehicles. In particular, the system can be designed in such a way that the number of gas extraction points increases with an increasing number of hydrogen-powered vehicles running on public roads.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass diese eine Mehrzahl an Stromentnahmestellen zur gleichzeitigen Entnahme von Strom durch elektrisch oder Hybrid-elektrisch betriebene Kraftfahrzeuge aufweist. Die Stromentnahmestellen können insbesondere als sog. Schnelllader ausgebildet sein, welche das Laden eines Batteriespeichers des zu ladenden Fahrzeugs in kurzer Zeit mit hoher Leistung ermöglichen. Die Stromentnahmestellen können abhängig von der von den Kraftfahrzeugen benötigten Ladetechnologie wahlweise auf Wechselstrom (AC) oder Gleichstrom (DC) basieren. Es ist möglich, dass die Stromentnahmestellen sowohl ein Laden mit Gleichstrom als auch mit Wechselstrom ermöglichen. Gegebenenfalls können auch manche der Stromentnahmestellen lediglich auf Gleichstrom oder manche andere auf Wechselstrom basierende Ladetechnologie aufweisen.A further embodiment provides that it has a plurality of electricity withdrawal points for the simultaneous withdrawal of electricity by electrically or hybrid-electrically operated motor vehicles. The power consumption points can in particular be designed as so-called fast chargers, which enable a battery storage device of the vehicle to be charged to be charged in a short time with high power. The power take-off points can be based on alternating current (AC) or direct current (DC), depending on the charging technology required by the motor vehicle. It is possible that the power take-off points allow charging with direct current as well as with alternating current. If necessary, some of the power withdrawal points can also have only direct current or some other charging technology based on alternating current.
Es ist zweckmäßig, wenn die Anlage als Autohof oder Versorgungsanlage (ähnlich einer herkömmlichen Tankstelle) für eine Vielzahl von Kraftfahrzeugen ausgebildet ist. Die Anzahl der Vielzahl von Kraftfahrzeugen richtet sich dabei nach der Leistungsfähigkeit der einzelnen Komponenten der Anlage, insbesondere der durch die Stromerzeugungsvorrichtung bereitstellbaren Leistung, der von der Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff in einem bestimmten Zeitraum erzeugbaren Wasserstoffmenge sowie des Energiespeichers.It is useful if the system is designed as a truck stop or supply system (similar to a conventional gas station) for a large number of motor vehicles. The number of large numbers of motor vehicles depends on the performance of the individual components of the system, in particular the power that can be provided by the power generation device, the amount of hydrogen that can be generated by the device for generating hydrogen in a certain period of time, and the energy store.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Verschaltung des wiederaufladbaren Energiespeichers, der Stromerzeugungsvorrichtung und der zumindest einen Stromentnahmestelle derart ist, dass kein Stromfluss über das öffentliche Stromnetz erfolgt. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass der Stromfluss nahezu ausschließlich über das private Stromnetz, welches zu der vorgeschlagenen Anlage zur autarken Bereitstellung von Energieträgern gehört, fließt.Another embodiment provides that the interconnection of the rechargeable energy store, the power generation device and the at least one power take-off point is such that there is no current flow via the public power grid. In other words, this means that the current flow flows almost exclusively via the private power grid, which is part of the proposed system for the self-sufficient provision of energy sources.
Die Anzahl der Stromentnahmestellen beträgt gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung zwischen
Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung sieht vor, dass in einer derartigen Anlage die Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff eine Leistung von 2 MW aufweist.Another useful embodiment provides that the device for generating hydrogen in such a system has a power of 2 MW.
Soll die Anzahl der Stromentnahmestellen wesentlich größer oder wesentlich kleiner sein, so können die genannten Größenordnungen entsprechend eines linearen Faktors, um den die Anzahl der Stromentnahmestellen größer oder kleiner ist, angepasst werden.If the number of power take-off points is to be significantly larger or significantly smaller, the mentioned orders of magnitude can be adapted according to a linear factor by which the number of power take-off points is larger or smaller.
Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung sieht vor, dass die Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff einen Kompressor und zumindest einen Druckgasspeicher umfasst. Insbesondere weist die Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff eine Leistung von 1,5 MW bis 2,5 MW auf und ist dazu ausgelegt, etwa 1000 kg Wasserstoff pro Tag zu gewinnen.Another expedient embodiment provides that the device for generating hydrogen comprises a compressor and at least one compressed gas reservoir. In particular, the device for generating hydrogen has an output of 1.5 MW to 2.5 MW and is designed to produce about 1000 kg of hydrogen per day.
Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung sieht vor, dass der Mehrzahl an Stromentnahmestellen eine entsprechende Mehrzahl an Standflächen für die Kraftfahrzeuge zugeordnet ist, wobei die Mehrzahl der Standflächen von der Photovoltaikanlage überdacht ist.A further expedient embodiment provides that the plurality of power take-off points is assigned a corresponding plurality of standing areas for the motor vehicles, the majority of the standing areas being covered by the photovoltaic system.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer Anlage zur autarken Bereitstellung von Energieträgern für E-/H2-Fahrzeuge; und -
2 eine Skizze, die die Anordnung der in1 dargestellten Komponenten beispielhaft verdeutlicht.
-
1 a schematic representation of a system for the self-sufficient provision of energy sources for E / H2 vehicles; and -
2 a sketch showing the arrangement of the in1 illustrated components exemplified.
In den Figuren sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Darstellungen sind lediglich beispielhaft und insbesondere nicht maßstabsgerecht.In the figures, the same elements are provided with the same reference symbols. The representations are only exemplary and in particular are not to scale.
Die Anlage
Beim Vorsehen der Anlage in windreichen Regionen werden vorzugsweise eine oder mehrere Windkraftanlagen
Die von der Stromerzeugungsvorrichtung
Der wieder aufladbare Energiespeicher
Als Verbraucher des von der Stromerzeugungsvorrichtung
Die Vorrichtung
Die Stromentnahmestellen, die auch als Ladesäulen bezeichnet werden, sind mit dem Bezugszeichen
Die Anzahl m der Stromentnahmestellen und die Anzahl n der Gasentnahmestellen kann unterschiedlich oder gleich sein.The number m of power tapping points and the number n of gas tapping points can be different or the same.
Die entsprechenden Technologien zur Erzeugung und Bereitstellung von Wasserstoff sowie zur Bereitstellung von Strom für das Laden eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs sind grundsätzlich bekannt und im Detail auch nicht Gegenstand der vorliegenden Anmeldung. Auf eine eingehende detaillierte Beschreibung wird daher an dieser Stelle verzichtet.The corresponding technologies for generating and providing hydrogen and for providing electricity for charging an electrically operated vehicle are known in principle and are also not the subject of the present application in detail. A detailed description is therefore dispensed with at this point.
Wie aus der vorangegangenen Beschreibung deutlich wurde, sind die Stromerzeugungsvorrichtung
Dadurch, dass der Energie-autarke Betrieb der Anlage
Der Flächenverbrauch für die wie in
In der in
Die räumliche Abgrenzung
Die Anlage
Der Betrieb der Anlage
Ist der Bedarf an Strom bei der oder den Stromentnahmestellen
Die Anlage
Die Vorrichtung
Ein Abschalten der Erzeugung von Wasserstoff und keine Zufuhr von Wasserstoff zu den Gasentnahmestellen
Ein Abschalten der Zufuhr von Energie zu den Stromentnahmestellen
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- Anlage zur Bereitstellung von EnergieträgernSystem for the provision of energy sources
- 22
- StromerzeugungsvorrichtungPower generating device
- 33
- WindkraftanlageWind turbine
- 44th
- PhotovoltaikanlagePhotovoltaic system
- 55
- wieder aufladbarer Energiespeicherrechargeable energy storage
- 66th
- SteuerungseinheitControl unit
- 77th
- UmrichterConverter
- 88th
- RecheneinheitArithmetic unit
- 99
- Transformatortransformer
- 1010
- Transformatortransformer
- 1111
- öffentliches Stromnetzpublic power grid
- 1212
- UmhausungEnclosure
- 1313
- Vorrichtung zur Erzeugung von WasserstoffDevice for generating hydrogen
- 1414th
- ElektrolyseurElectrolyzer
- 1515th
- DruckgasspeicherCompressed gas storage
- 1616
- Leitungmanagement
- 1717th
- UmschalteinrichtungSwitching device
- 1818th
- Leitungmanagement
- 1919th
- Leitungmanagement
- 2020th
- GasentnahmeeinrichtungGas sampling device
- 20-1,... ,20-n20-1, ..., 20-n
- GasentnahmestelleGas tapping point
- 21-1,...,21-m21-1, ..., 21-m
- StromentnahmestellePower take-off point
- 2222nd
- LeistungseinheitPower unit
- 23-1,...,23-m23-1, ..., 23-m
- Standfläche für KraftfahrzeugStand space for motor vehicle
- 2424
- Zu- und/oder AbfahrtArrival and / or departure
- 2525th
- Zu- und/oder AbfahrtArrival and / or departure
- 2626th
- Zu- und/oder AbfahrtArrival and / or departure
- 2727
- AbgrenzungDemarcation
- 3030th
- räumlich abgegrenzter Bereichspatially delimited area
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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