DE102020003241A1

DE102020003241A1 - Process for supplying charging stations for e-vehicles and for network stabilization

Info

Publication number: DE102020003241A1
Application number: DE102020003241.9A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-05-29
Filing date: 2020-05-29
Publication date: 2021-12-02

Abstract

Verfahren zur Stabilisierung eines Stromnetzes mit Ökostrom durch ein Blockheizkraftwerk, bei dem sowohl die Erzeugung von Wärme für die Gebäudeheizung als auch die Erzeugung von elektrischer Energie zur Stabilisierung eines Stromnetzes durch den Bedarf gesteuert ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erreichung eines hohen Wirkungsgrades bei der Erzeugung elektrischer Energie diese synchron mit der Wärme für die Heizung eines oder mehrerer Gebäude erzeugt wird und bei Anforderung elektrischer Energie durch das Stromnetz und gleichzeitig fehlendem Wärmebedarf für die Gebäudeheizung die überschüssige Wärme gespeichert wird und zeitversetzt bei später fehlendem oder vermindertem Strombedarf das Blockheizkraftwerk abgeschaltet oder zurückgefahren wird und die gespeicherte Wärme an die Gebäudeheizung abgegeben wird, ferner dass nur die elektrische Energie durch Verbrennen von solchem Erdgas erzeugt wird, bei dem die äquivalente Menge an Elektrolyse-Wasserstoff oder synthetischem Methan oder Biogas zuvor in das Gasnetz eingeleitet wird und die Menge an erzeugter bzw. an das Stromnetz abgegebener elektrischer Energie in KWh gemessen dem Heizwert des zuvor in das Gasnetz eingeleiteten Elektrolyse-Wasserstoffes oder synthetischen Methans oder Biogases entspricht.Method for stabilizing an electricity network with green electricity through a block-type thermal power station, in which both the generation of heat for building heating and the generation of electrical energy to stabilize an electricity network is controlled by demand, characterized in that to achieve a high level of efficiency in generation electrical energy this is generated synchronously with the heat for heating one or more buildings and when electrical energy is requested by the power grid and there is no heat requirement for the building heating at the same time, the excess heat is stored and the combined heat and power unit is switched off or reduced with a delay if there is no or reduced electricity demand later and the stored heat is released to the building heating system, furthermore that only the electrical energy is generated by burning such natural gas in which the equivalent amount of electrolysis hydrogen or synthetic methane or Biogas is fed into the gas network beforehand and the amount of electrical energy generated or supplied to the electricity network in KWh, measured in KWh, corresponds to the calorific value of the electrolysis hydrogen or synthetic methane or biogas previously fed into the gas network.

Description

Die Versorgung von elektrischen Ladestationen für e-Fahrzeuge mit erneuerbarer elektrischer Energie erweist sich als Hemmnis bei der Ausbreitung der e-Mobilität.The supply of electric charging stations for e-vehicles with renewable electrical energy is proving to be an obstacle to the spread of e-mobility.

Zur Problemlösung werden Anlagen zur Raumheizung als Erdgas betriebene Blockheizkraftwerke verwendet, wobei die freigesetzte Wärmeenergie der Raumheizung und der Aufbereitung von Warmwasser dient und die erzeugte elektrische Energie wird in besagte e-Ladestationen in der Umgebung geleitet.To solve the problem, systems for space heating are used as natural gas-operated combined heat and power units, whereby the released thermal energy is used for space heating and the preparation of hot water and the electrical energy generated is fed to said e-charging stations in the area.

Verbindet man eine solche Verfahrensweise mit der bekannten Power to Gas Technologie, bei der bekanntlich Wasserstoff aus der Wasserelektrolyse als solcher oder mit Kohlendioxid zu Methan umgesetzt in das Gasnetz eingeleitet wird und die äquivalente Menge an Erdgas entnommen und in einem Blockheizkraftwerk verbrannt wird, so wird Ökostrom zu den e-Ladestationen in der Umgebung geleitet. Synchron zum Ökostrom kann hierbei auch Ökowärme erzeugt werden. Dieser Effekt wird auch erreicht indem zuvor in das Gasnetz eingeleitetes Biogas als Erdgas entnommen wird.If such a procedure is combined with the well-known power-to-gas technology, in which, as is well known, hydrogen from water electrolysis is fed into the gas network as such or converted with carbon dioxide to methane and the equivalent amount of natural gas is withdrawn and burned in a block-type thermal power station, then green electricity to the e-charging stations in the area. In addition to green electricity, green heat can also be generated. This effect is also achieved in that biogas previously introduced into the gas network is withdrawn as natural gas.

Zur eindeutigen Zuordnung der in den e-Ladestationen genutzten elektrische Energie zu dem Blockheizkraftwerk wird diese elektrische Energie durch ein separates, vom Stromnetz unabhängiges Kabel geleitet. So kann zuvor in das Gasnetz eingeleiteter(s)Wasserstoff oder synthetisches Methan oder Biogas bei der Verbrennung der im Blockheizkraftwerk erzeugten und an den e-Ladestationen verbrauchten elektrischen Energie zugeordnet werden und Erdgas wird der erzeugten Wärme zugeordnet.In order to clearly assign the electrical energy used in the e-charging stations to the block-type thermal power station, this electrical energy is routed through a separate cable that is independent of the power grid. Hydrogen or synthetic methane or biogas previously introduced into the gas network can be assigned to the electrical energy generated in the combined heat and power plant and consumed at the e-charging stations during combustion, and natural gas is assigned to the heat generated.

Wegen der kurzen Leitungswege bei Wärme und Strom und dem damit verbundenen geringen Leitungsverluste ist der Gesamtwirkungsgrad bei der vorliegenden Kraft-Wärme-Kopplung nahe bei 100%. Und dies gilt auch für den Einzel-Wirkungsgrad bei Wärme oder Strom, wenn man z.B. die Verbrennungsenergie aus zuvor in das Gasnetz eingeleitetem Wasserstoff der an e-Ladestationen genutzten elektrischen Energie zuordnet.Because of the short conduction paths for heat and electricity and the associated low conduction losses, the overall efficiency of the present combined heat and power system is close to 100%. And this also applies to the individual efficiency for heat or electricity, if, for example, the combustion energy from hydrogen previously fed into the gas network is assigned to the electrical energy used at e-charging stations.

Erdgas wird hauptsächlich bei der Raumheizung verbraucht und hier besteht ein grosser Modernisierungsbedarf. Daher kann diese Technologie schnell umgesetzt werden und der immer noch schleppend vorangehenden Power to Gas Technologie zum Durchbruch verhelfen.Natural gas is mainly used for space heating and there is a great need for modernization here. This technology can therefore be implemented quickly and help the power-to-gas technology, which is still sluggish, achieve a breakthrough.

Ferner stehen heute Power to Gas Verfahren zur Verfügung, nach welchen erneuerbare Energie im Gasnetz transportiert wird. Als Beispiel sei die Patentschrift DE102012025722B3 genannt, bei der mit dem vorliegenden Verfahren in einem Kohlendioxid-Kreislauf mit Erdgas stets erneut Ökostrom synchron mit Ökowärme erzeugt wird. Eine bevorzugte Ausführungsform ist in der DE102015213484A1 beschrieben. Dort wird das Kohlendioxid aus den Rauchgasen durch Druckverflüssigung in einer modifizierten „Wärmepumpe“ abgetrennt.Furthermore, today there are power-to-gas processes available, according to which renewable energy is transported in the gas network. The patent specification is an example DE102012025722B3 called, in which with the present process in a carbon dioxide cycle with natural gas always again green electricity is generated synchronously with green heat. A preferred embodiment is in DE102015213484A1 described. There the carbon dioxide is separated from the flue gases by pressure liquefaction in a modified "heat pump".

Bei der Verfahrensweise nach DE102012025722B3 ist zu beachten, dass hier bei der Verbrennung von Erdgas Ökoenergie erzeugt wird, weil Kohlendioxid aus den Rauchgasen nicht emittiert, sondern wiederverwendet wird. Wird nun zuvor eingeleitetes Biogas als Erdgas verbrannt, so wird das Kohlendioxid, das die bei der Biogaserzeugung verwendeten Pflanzen der Atmosphäre entnommen haben in einem Methan-Kohlendioxid Kreislauf gebunden und Kohlendioxid in der Atmosphäre wird reduziert.In the procedure according to DE102012025722B3 It should be noted that when natural gas is burned, eco-energy is generated because carbon dioxide is not emitted from the flue gases, but is reused. If previously introduced biogas is burned as natural gas, the carbon dioxide that the plants used to generate biogas have taken from the atmosphere is bound in a methane-carbon dioxide cycle and carbon dioxide in the atmosphere is reduced.

Bei den Verfahren, in denen Kohlendioxid wiederverwendet werden soll, muss dieses aus den Rauchgasen abgetrennt werden. Dies erfolgt vorzugsweise durch Druckverflüssigung von Bei den Verfahren, in denen Kohlendioxid wiederverwendet werden soll, muss dieses aus den Rauchgasen abgetrennt werden. Dies erfolgt vorzugsweise durch Druckverflüssigung von Kohlendioxid, welches als Flüssigkeit von den übrigen Rauchgasen getrennt und gesammelt wird. Kohlendioxid kann dann im Druckbehälter vom Ort seiner Bildung im Blockheizkraftwerk zum Ort seiner Wiederverwendung zur Methanisierung von Wasserstoff transportiert werden. Kohlendioxid kann auch in fester Form als „Trockeneis“ in wärmegedämmtem Behälter transportiert werden. Zur besseren Reaktionsfähigkeit wird nach heutigem Stand der Technik Kohlendioxid zur Methanisierung in Kohlenmonoxid umgewandelt.In the processes in which carbon dioxide is to be reused, it has to be separated from the flue gases. This is preferably done by pressure liquefaction of the process, in which carbon dioxide is to be reused, this must be separated from the flue gases. This is preferably done by pressure liquefaction of carbon dioxide, which is separated and collected as a liquid from the other flue gases. Carbon dioxide can then be transported in the pressure vessel from the place of its formation in the combined heat and power plant to the place of its reuse for methanation of hydrogen. Carbon dioxide can also be transported in solid form as "dry ice" in thermally insulated containers. For better reactivity, according to the current state of the art, carbon dioxide is converted into carbon monoxide for methanation.

Als Nebeneffekt wird fluktuierender Wind und Solarstrom im Erdgasnetz gespeichert und transportiert.As a side effect, fluctuating wind and solar power are stored and transported in the natural gas network.

Es kann auch durch Wasserelektrolyse erzeugter Wasserstoff in das Erdgasnetz eingeleitet werden und als Wasserstoff-Erdgas-Mischung aus dem Erdgasnetz entnommen und verbrannt werden.Hydrogen generated by water electrolysis can also be fed into the natural gas network and taken from the natural gas network as a hydrogen-natural gas mixture and burned.

Im Blockheizkraftwerk kann Erdgas beispielsweise in einem Verbrennungsmotor oder in einer Gasturbine oder in einer Feststoffbrennstoffzelle verbrannt werden.In the block-type thermal power station, natural gas can be burned in an internal combustion engine or in a gas turbine or in a solid fuel cell, for example.

Nimmt man an, ein innerstädtisches Mietshaus mit 10 Mietparteien hat einen Wärmebedarf von 50KWh. Mit einer Feststoffbrennstoffzelle (SFC) werden bei einem Wirkungsgrad von 50% daneben synchron 50KWh elektrische Energie erzeugt, mit welcher über separate Kabel e-Ladestationen an Park- oder Stellplätzen in der Umgebung des betreffenden Gebäudes mit Ladestrom versorgt werden können. So werden z.B. städtische Parkplätze in e-Ladestationen umgewandelt ohne das vorhandene Stromnetz zu belasten. Dieses Beispiel lässt sich auch auf gewerbliche Gebäude oder Amtsgebäude übertragen. Hier können dann die Parkplätze für Betriebsangehörige oder für Besucher in e-Ladestationen umgewandelt werden. Auch können e-Ladestationen für gewerbliche Fahrzeugen mitversorgt werden. Die umzuwandelnden Park/Stellplätze können sich auch in einem Parkhaus befinden, welches an Gebäude mit Blockheizkraftwerk angrenzt. An Blockheizkraftwerke mit höherer Kapazität können auch Schnellladestationen angeschlossen werden.Assume that an inner-city tenement house with 10 tenants has a heating requirement of 50KWh. With a solid fuel cell (SFC) with an efficiency of 50% 50KWh of electrical energy are generated synchronously, with which e-charging stations at parking lots or parking spaces in the vicinity of the relevant one via separate cables Building can be supplied with charging current. For example, urban parking spaces are converted into e-charging stations without burdening the existing power grid. This example can also be applied to commercial or government buildings. The parking spaces for employees or visitors can then be converted into e-charging stations. E-charging stations for commercial vehicles can also be supplied. The parking / parking spaces to be converted can also be located in a multi-storey car park, which is adjacent to a building with a combined heat and power unit. Fast charging stations can also be connected to block-type thermal power stations with a higher capacity.

Vor Allem aber kann nach dem vorliegenden Verfahren Wind und Solarstrom als Wasserstoff oder synthetisches Methan im Erdgasnetz transportiert und gespeichert werden und unter Nutzung des Erdgasnetzes und unter Umgehung überlasteter Stromnetze einer CO2-freien E-Mobilität mit hoher Effizienz zur Verfügung gestellt werden. Wegen des hohen Modernisierungsbedarfes bei der Gebäudeheizung mit dem Ziel der Reduktion der Kohlendioxid-Emission sind zusätzliche Impulse für die Erstellung der angestrebten Kapazitäten an e-Ladestationen zu erwarten.Above all, however, according to the present process, wind and solar power can be transported and stored as hydrogen or synthetic methane in the natural gas network and made available to a CO2-free e-mobility with high efficiency using the natural gas network and bypassing overloaded electricity networks. Due to the high need for modernization of building heating with the aim of reducing carbon dioxide emissions, additional impulses for the creation of the desired capacities at e-charging stations are to be expected.

Würde nach der Kraft-Wärme-Kopplung die für e-Ladestationen zusätzlich benötigte Stromkapazität in einem Gaskraftwerk erzeugt und die bei der Stromerzeugung anfallende Wärme über das Fernheizsystem an Haushalte verteilt, so müsste der Strom über zusätzlich zu errichtende Netzkapazität mit entsprechenden Verlusten zu den e-Ladestationen geleitet werden und bei der Wärmeleitung durch Fernheizrohre würden ebenfalls Energieverluste auftreten. Die besonderen Vorteile bei dem erfindungsgemässen Verfahren gegenüber der heute üblichen Kraft-Wärme Koppelung in Kraftwerken werden erreicht, weil die elektrische Energie und die Heizung-Wärme über kurze Wege geleitet werden und insbesondere die elektrische Energie in unmittelbarer Nähe zu Ihrer Erzeugung verbraucht wird.If, after the combined heat and power generation, the additional electricity capacity required for e-charging stations were to be generated in a gas-fired power plant and the heat generated during electricity generation was distributed to households via the district heating system, the electricity would have to be added to the electricity via additional network capacity with corresponding losses. Charging stations are routed and the conduction of heat through district heating pipes would also lead to energy losses. The particular advantages of the method according to the invention compared to the power-heat coupling common today in power plants are achieved because the electrical energy and the heating-heat are conducted over short distances and, in particular, the electrical energy is consumed in the immediate vicinity of its generation.

Im Blockheizkraftwerk kann dann auch die elektrische Energie bei der Erzeugung bezüglich Spannung und Stromart auf die Ladestationen abgestimmt werden. Der e-Ladestrom muss dann nicht mehr umgespannt und gleichgerichtet werden.In the block-type thermal power station, the electrical energy during generation can then be matched to the charging stations in terms of voltage and type of current. The e-charging current then no longer has to be changed and rectified.

Der so erzeugte Strom wird nicht über das Stromnetz, sondern kann in separaten Leitungen auf kurzen Wegen verlustfrei und eindeutig zuordenbar vom Blockheizkraftwerk zu den benachbarten e-Ladestationen geführt werden.The electricity generated in this way is not fed via the power grid, but can be routed in separate lines over short distances from the block-type thermal power station to the neighboring e-charging stations.

Die vorliegende Erfindung ist somit eine kombinierte Erzeugung von elektrischer Energie und von Wärme in einem Kraft-Wärme-Verbund durch die Verbrennung von Erdgas in einem Blockheizkraftwerk, dadurch gekennzeichnet, dass das Blockheizkraftwerk sich in oder bei einem zu beheizenden Gebäude befindet und die Wärme aus dem Blockheizkraftwerk zur Raumheizung in dem Gebäude verwendet wird und die elektrische Energie aus dem Blockheizkraftwerk für die Versorgung von e-Ladestationen in der Nähe des beheizten Gebäudes bzw. des Blockheizkraftwerkes verwendet wird und die elektrische Energie nicht über das Stromnetz, sondern über ein separates Kabel von dem Blockheizkraftwerk zu der/den e-Ladestation(en) geleitet wird und zur Bildung eines hohen Wirkungsgrades Wärme für die Raumheizung und elektrische Energie für die e-Ladestationen synchron erzeugt und genutzt werden.The present invention is thus a combined generation of electrical energy and heat in a combined heat and power system through the combustion of natural gas in a combined heat and power plant, characterized in that the combined heat and power plant is located in or near a building to be heated and the heat from the Combined heat and power unit is used for space heating in the building and the electrical energy from the combined heat and power unit is used to supply e-charging stations in the vicinity of the heated building or the combined heat and power unit and the electrical energy is not supplied via the power grid, but via a separate cable from the The combined heat and power unit is directed to the e-charging station (s) and heat for space heating and electrical energy for the e-charging stations are generated and used synchronously to create a high level of efficiency.

Bevorzugt wird solches Erdgas aus dem Gasnetz entnommen, bei dem zuvor die äquivalente Menge an Biogas oder Wasserstoff oder synthetisches Methan in das Erdgasnetz eingeleitet worden ist. Dabei wird dann neben Ökostrom auch Ökowärme erzeugt.Natural gas is preferably taken from the gas network in which the equivalent amount of biogas or hydrogen or synthetic methane has previously been introduced into the natural gas network. In addition to green electricity, green heat is also generated.

Es besteht auch die Möglichkeit z.B. grünen Wasserstoff aus der Wasserelektrolys in das Erdgasnetz einzuleiten und als „Wasserstoff-Erdgasmischung“ dem Gasnetz zu entnehmen und zu verbrennen. Wird dann die Stromerzeugung der Verbrennung dem zuvor in das Gasnetz eingeleiteten Wasserstoffanteil zugeordnet und die Wärmeerzeugung dem (fossilen) Erdgas, so wird, da der Gesamtwirkungsgrad der Anlage nahe bei 100% liegt, grüner Wasserstoff mit dem Wirkungsgrad der Anlage von nahezu 100% in Grünstrom umgewandelt. Verbrennungsenergie von Wasserstoff = elektrische Energie. Der Erdgasanteil, der der Wärmeerzeugung zugeordnet wird, verbrennt mit Kohlendioxid-Freisetzung. Bei dieser Anordnung wird für die e-Ladestationen Ökostrom erzeugt, aber keine Ökowärme für die dann ausschliesslich mit fossilem Erdgas betriebene Gebäudeheizung.There is also the possibility, for example, of introducing green hydrogen from the water electrolysis into the natural gas network and taking it as a "hydrogen-natural gas mixture" from the gas network and burning it. If the power generation from combustion is then assigned to the hydrogen share previously fed into the gas network and the heat generation to (fossil) natural gas, then, since the overall efficiency of the system is close to 100%, green hydrogen with the efficiency of the system of almost 100% becomes green electricity converted. Combustion energy of hydrogen = electrical energy. The natural gas that is allocated to the generation of heat burns with the release of carbon dioxide. With this arrangement, green electricity is generated for the e-charging stations, but no green heat for the building heating, which is then operated exclusively with fossil natural gas.

In Deutschland wird z.B. die Ein- und Ausspeisung von durch Wasserelektrolyse aus Wind- oder Solarstrom erzeugtem Wasserstoff durch das Energie-Wirtschafts-Gesetz (EnWG) geregelt. In der Praxis erhält der in das Gasnetz eingespeiste Wasserstoff ein Zertifikat, welches die eingespeiste Menge als Heizwert, gemessen in KWh angibt. Die entsprechende/äquivalente Menge an Erdgas wird am Ausspeisepunkt entnommen. Im vorliegenden Fall ist der Ausspeisepunkt die Erdgas-Entnahmestelle am Blockheizkraftwerk. Diese Vorgehensweise, die in Deutschland gesetzlich geregelt ist, lässt sich technisch auch auf andere Länder übertragen.In Germany, for example, the feeding in and out of hydrogen generated by water electrolysis from wind or solar power is regulated by the Energy Industry Act (EnWG). In practice, the hydrogen fed into the gas network receives a certificate, which indicates the amount fed in as a calorific value, measured in KWh. The corresponding / equivalent amount of natural gas is withdrawn at the exit point. In the present case, the exit point is the natural gas extraction point at the combined heat and power plant. This procedure, which is regulated by law in Germany, can also be technically transferred to other countries.

Die gezielte Zuordnung der beiden bei der Verbrennung der Gasmischung verwendeten Energieträger erneuerbarer Wasserstoff einerseits und fossiles Erdgas andererseits zur Erzeugung und unmittelbaren Verwendung von elektrischer Energie für e-Ladestationen einerseits und von Wärme zur Raumheizung andererseits wird ermöglicht, indem die Wärme bei oder in dem zu beheizenden Gebäude zur Raumheizung verwendet wird und die elektrische Energie über ein separates Kabel zu den e-Ladestationen geleitet wird und dort der Ladung von Batterie betriebenen e-Fahrzeugen dient. Mit anderen Worten: Wärme für Heizung und Warmwasseraufbereitung wird aus Erdgas und elektrische Energie für e-Ladestationen wird aus grünem Wasserstoff erzeugt. Da der Gesamtwirkungsgrad der Anlage bei nahezu 100% liegt, liegt auch der Einzelwirkungsgrad der beiden Energiearten Wärme und Strom bei nahezu 100%.The targeted allocation of the two energy sources used in the combustion of the gas mixture, renewable hydrogen on the one hand and fossil natural gas on the other, for generation and Direct use of electrical energy for e-charging stations on the one hand and heat for space heating on the other hand is made possible by using the heat in the building to be heated for space heating and the electrical energy being conducted via a separate cable to the e-charging stations and there is used to charge battery-operated e-vehicles. In other words: heat for heating and hot water preparation is generated from natural gas and electrical energy for e-charging stations is generated from green hydrogen. Since the overall efficiency of the system is almost 100%, the individual efficiency of the two types of energy, heat and electricity, is almost 100%.

Zu beachten ist, dass sich die hier vorliegenden Blockheizkraftwerke vorwiegend im privaten Bereich und die mit Strom aus den Blockheizkraftwerken versorgten e-Ladestationen meist an Parkplätzen im öffentlichen Raum befinden. Folglich müssen Nutzer der e-Ladestation(en) an öffentlichen Parkplätzen meist im Privatbesitz befindende Blockheizkraftwerke zur Stromlieferung an die e-Ladestation(en) in Betrieb setzen, bzw. einschalten. Die Verfügbarkeit des e-Ladestroms an öffentlichen Parkplätzen muss gewährleistet bleiben, wenn die e-Ladestation durch ein separates Kabel von dem Blockheizkraftwerk mit elektrischer Energie versorgt werden soll.It should be noted that the combined heat and power plants presented here are predominantly in the private sector and the e-charging stations supplied with electricity from the combined heat and power plants are mostly located in parking lots in public spaces. As a result, users of the e-charging station (s) in public parking lots have to put into operation or switch on mostly privately owned block-type thermal power stations to deliver electricity to the e-charging station (s). The availability of the e-charging current in public parking spaces must be guaranteed if the e-charging station is to be supplied with electrical energy by a separate cable from the combined heat and power unit.

Bei dem Betrieb des Blockheizkraftwerkes wird dann nicht immer ein Einklang zwischen dem Wärmebedarf im zu beheizenden Gebäude und dem Bedarf an elektrischer Energie an den vom Blockheizkraftwerk versorgten e-Ladestationen zu erreichen sein. Als Ausgleich kann von den e-Ladestationen zusätzlich benötigte elektrische Energie aus dem Stromnetz entnommen werden oder vom Blockheizkraftwerk kann überschüssige elektrische Energie an das Stromnetz abgegeben werden. Überschüssige Wärme kann über Wärmetauscher, z.B. im Dachbereich, freigesetzt werden. Dies ist besonders in den Sommermonaten anzuwenden, wenn die Wärme nur zur Warmwasseraufbereitung benötigt wird. Es sei erinnert, dass der erfindungsgemäss hohe Wirkungsgrad bei der Stromerzeugung nur während einer Phase erreicht wird, in der Wärme und Strom synchron erzeugt und synchron genutzt werden.When operating the block-type thermal power station, it will not always be possible to achieve a balance between the heat demand in the building to be heated and the electrical energy requirement at the e-charging stations supplied by the block-type thermal power station. To compensate for this, the additional electrical energy required by the e-charging stations can be taken from the power grid, or excess electrical energy can be transferred from the combined heat and power plant to the power grid. Excess heat can be released via heat exchangers, e.g. in the roof area. This is especially useful in the summer months when the heat is only required for hot water preparation. It should be remembered that the high degree of efficiency according to the invention for power generation is only achieved during a phase in which heat and power are generated synchronously and used synchronously.

Da, wie bereits erwähnt, die Wärmeerzeugung stets synchron zur Erzeugung elektrischer Energie verläuft, der Bedarf und die Nutzung bei dem vorliegenden Blockheizkraftwerk aber asynchron verläuft, empfiehlt sich der Einsatz eines Wärmespeichers. Infrage kommen wegen Ihrer Speicherfähigkeit Fussbodenheizungen. Auch die in der Vergangenheit verbreiteten sog. Nachtspeicherheizungen, bei welchen Gebäudeteile wie Wände oder Decken die Wärme speicherten, könnten eingesetzt werden. Bevorzugt wird überschüssige Wärme im zu beheizenden Gebäude in entsprechend dimensionierten Wassertanks gespeichert. Wasser ist als Wärmespeichermedium bevorzugt, da es eine hohe Wärmekapazität besitzt, in einem Tank einfach zu speichern ist und das Wasser im Tank über einen Kreislauf mit der Heizungsanlage die überschüssige Wärme aufnehmen und wieder abgeben kann. In der Regel ist Wasser auch das Medium für den Heizungskreislauf, in den der Kreislauf zum Speichertank z.B. über Wärmetauscher integriert werden kann. Die gespeicherte Wärme kann dann zeitversetzt an das Gebäude abgegeben und so genutzt werden.Since, as already mentioned, the generation of heat is always synchronous with the generation of electrical energy, but the demand and use in the present block-type thermal power station are asynchronous, the use of a heat accumulator is recommended. Underfloor heating is an option because of its storage capacity. The so-called night storage heating, which was widespread in the past and in which parts of the building such as walls or ceilings stored the heat, could also be used. Excess heat is preferably stored in the building to be heated in appropriately sized water tanks. Water is the preferred heat storage medium because it has a high heat capacity, is easy to store in a tank and the water in the tank can absorb and release the excess heat via a circuit with the heating system. As a rule, water is also the medium for the heating circuit, in which the circuit to the storage tank can be integrated, e.g. via a heat exchanger. The stored heat can then be released to the building with a time delay and used in this way.

Wird dem o.g. Gebäude mit 10 Wohneinheiten und einer Wärme- und Strom-Erzeugungskapazität von jeweils 50KWh ein Wasserspeicher eines Inhaltes von 10000 I beigestellt, so können darin bei der Wärmekapazität von Wasser mit 11,63 Wh je °C und Liter in einer Temperaturspanne von 50°C (40° untere und 90°C obere T.) 581KWh Wärme gespeichert werden. Mit dem synchron zur gespeicherten Wärme erzeugten Strom können 11 e-Fahrzeuge mit jeweils 50KWh aufgeladen werden.If the above-mentioned building with 10 residential units and a heat and electricity generation capacity of 50KWh each is provided with a water storage tank with a capacity of 10,000 I, the heat capacity of water with 11.63 Wh per ° C and liter in a temperature range of 50 ° C (40 ° lower and 90 ° C upper T.) 581KWh of heat can be stored. With the electricity generated synchronously with the stored heat, 11 e-vehicles can be charged with 50KWh each.

Die Verwendung von Wärmespeichern ist vor Allem bei der Verwendung besagter Blockheizkraftwerke in einer Wohngegend von Bedeutung. Dort trifft ein verminderter Wärmebedarf wegen der für Wohngebäude üblichen Temperatur-Nachtabsenkung auf einen erhöhten Strombedarf für an den Ladestationen zur Aufladung über Nacht abgestellter e-Fahrzeuge.The use of heat accumulators is particularly important when using the said combined heat and power units in a residential area. There, a reduced heat requirement due to the night-time temperature reduction that is common for residential buildings meets an increased power requirement for e-vehicles parked overnight at the charging stations for charging.

Hier sei nochmals darauf hingewiesen: Der bei dieser Erfindung vorhandene Wirkungsgrad von nahezu 100% bei der Erzeugung von Ökostrom für die e-Ladestationen ist nur anzusetzen, wenn die Erzeugung und Nutzung von elektrischer Energie und Wärmeenergie synchron erfolgt. Das gilt insbesondere für die selektive Herstellung von Ökostrom mit zuvor in das Gasnetz eingespeistem Wasserstoff.Here it should be pointed out again: The efficiency of this invention of almost 100% in the generation of green electricity for the e-charging stations is only to be applied if the generation and use of electrical energy and thermal energy takes place synchronously. This applies in particular to the selective production of green electricity with hydrogen previously fed into the gas network.

Bei dem erfindungsgemässen Verfahren kann aus dem Gasnetz entnommenes Erdgas verbrannt, Kohlendioxid aus den Rauchgasen abgetrennt, gesammelt und zu einem Ort transportiert werden, wo es zur Methanisierung von vorwiegend aus Windstrom durch Wasserselektrolyse erzeugtem Wasserstoff verwendet wird. Nach diesem Verfahren kann fossiles Erdgas Kohlendioxid frei verbrannt werden. Generell ist die Methanisierung von Elektrolyse-Wasserstoff mit Kohlendioxid oder Kohlenmonoxid stark exotherm und als Nebeneffekt kann die entstehende Wärmeenergie thermisch genutzt werden.In the method according to the invention, natural gas taken from the gas network can be burned, carbon dioxide separated from the flue gases, collected and transported to a place where it is used for methanation of hydrogen mainly generated from wind power by water electrolysis. According to this process, fossil natural gas can be burned free of carbon dioxide. In general, the methanation of electrolysis hydrogen with carbon dioxide or carbon monoxide is strongly exothermic and, as a side effect, the resulting thermal energy can be used thermally.

Hier bietet sich nun an, die bei der Methanisierung anfallende Wärmeenergie in Fernheizsysteme einzuspeisen. Es ergibt sich eine weitere Effizienzsteigerung durch das vorliegende Verfahren, wie am Beispiel Hamburg gezeigt werden kann:

Hamburg ist für die Fernwärme weitgehend erschlossen. Dort wird im Kraft-Wärme-Verbund Abwärme genutzt, welche gegenwärtig hauptsächlich aus Kohlekraftwerken kommt. Werden nun diese Kohlekraftwerke auf Grund der vor Kurzem verabschiedeten Gesetze abgestellt, so wird zwangsläufig die Wärme für die Fernheizung zumindest teilweise durch Verbrennung fossiler Brennstoffe wie Erdgas erzeugt werden müssen.

It is now a good idea to feed the heat energy generated during methanation into district heating systems. The present process results in a further increase in efficiency, as can be shown using the example of Hamburg:

Hamburg is largely developed for district heating. There, waste heat is used in the combined heat and power system, which currently comes mainly from coal-fired power plants. If these coal-fired power plants are now shut down due to the recently passed laws, the heat for the district heating will inevitably have to be generated at least partially by burning fossil fuels such as natural gas.

Die für die Fernheizung erforderliche Wärmeenergie könnte aber auch durch eine Power to Gas Anlage mit angeschlossener Methanisierung erzeugt werden. In Hamburg kann reichlich vorhandener Windstrom aus dem benachbarten Schleswig-Holstein durch Wasserelektrolyse in Wasserstoff umgewandelt werden, welcher mit aus Süddeutschland transportiertem Kohlendioxid, das bei der Erdgasverbrennung aus den Rauchgasen abgetrennt wurde, in exothermer Reaktion zu synthetischem Methan umgesetzt wird. Das synthetische Methan kann dann wieder im Gasnetz zur erneuten Verbrennung im Gasnetz nach Süddeutschland zurückgeleitet und die bei der Methanisierung freiwerdende Wärme kann in das städtische Fernheizsystem eingespeist werden.The thermal energy required for district heating could also be generated by a power-to-gas system with connected methanation. In Hamburg, abundant wind power from neighboring Schleswig-Holstein can be converted into hydrogen by water electrolysis, which is converted into synthetic methane in an exothermic reaction with carbon dioxide transported from southern Germany, which was separated from the flue gases during natural gas combustion. The synthetic methane can then be fed back in the gas network to be burned again in the gas network in southern Germany and the heat released during methanation can be fed into the urban district heating system.

Das Beispiel „Hamburg“ lässt sich auf andere Orte übertragen. Es zeigt, wie das gegenwärtige Stromnetz mit grossem wirtschaftlichem und ökologischem Nutzen von der Zusatzbelastung durch eine Kohlendioxid-freie e-Mobilität befreit werden kann.The example of “Hamburg” can be transferred to other places. It shows how the current power grid can be freed from the additional burden of carbon dioxide-free e-mobility with great economic and ecological benefits.

Das vorgenannte Beispiel zeigt auch, wie bei der Methanisierung von Wasserstoff zwangsläufig auftretende Energieverluste ausgeglichen werden können.The above example also shows how inevitably occurring energy losses during the methanation of hydrogen can be compensated.

Abschliessend sei nochmals darauf hingewiesen, dass die hohe Effizienz der vorliegenden Kraft-Wärme-Kopplung nur dann vorhanden ist, wenn bei der Verbrennung von Erdgas oder Wasserstoff sowohl elektrische Energie für die e-Ladestationen als auch Wärme für die Raumheizung synchron erzeugt und direkt verwendet wird. Ist der Wärmebedarf bei der Raumheizung gesättigt und die Stromerzeugung für die e-Ladestation(en) wird fortgesetzt, so muss die dabei gebildete Wärme abgeführt werden und der Gesamtwirkungsgrad des Blockheizkraftwerkes wird auf den der im Blockheizkraftwerk vorhandenen Stromerzeugungsanlage reduziert.Finally, it should be pointed out again that the high efficiency of the present combined heat and power generation is only available if, when burning natural gas or hydrogen, both electrical energy for the e-charging stations and heat for space heating are generated synchronously and used directly . If the heat demand for space heating is saturated and power generation for the e-charging station (s) is continued, the heat generated must be dissipated and the overall efficiency of the cogeneration unit is reduced to that of the power generation system in the cogeneration unit.

Zur Vermeidung dieser Energieverluste werden Wärmespeicher vorgeschlagen, in welchen für die Raumheizung momentan nicht benötigte Wärme gespeichert werden kann. Als Wärmespeicher bietet sich ein im oder am beheizten Gebäude befindender Wassertank an. Dieser kann durch den Heizungskreislauf mit dem Blockheizkraftwerk verbunden werden. Auch Heizkörper, die über eine grosse Masse verfügen, wie Fussboden- oder Nachtspeicherheizungen können hier eine Speicherfunktion übernehmen.To avoid this energy loss, heat storage devices are proposed in which heat that is currently not required for room heating can be stored. A water tank in or on the heated building can be used as a heat store. This can be connected to the block-type thermal power station via the heating circuit. Even radiators that have a large mass, such as underfloor or night storage heating, can take on a storage function here.

Zu beachten ist auch, dass die bei Heizungsanlagen angegebenen Normkapazitäten Maximalleistungen sind. Im Normalbetrieb arbeitet die Heizung meist im Intervallbetrieb, um eine gleichbleibende Raumtemperatur kontrolliert zu halten. Bei einem Dauerbetrieb der Heizungsanlage würde die zwangsläufig erzeugte Wärme zur Überheizung der Räume führen. Dies allein macht den Einbau eines Wärmespeichers in oder an dem Gebäude erforderlich, wenn, wie im vorliegenden Fall, die Heizung über Kraft-Wärme-Kopplung mit einer Stromerzeugungsanlage verbunden ist und Wärme und Strom zur Ladung von e-Fahrzeugen synchron erzeugt und verwendet werden soll.It should also be noted that the standard capacities specified for heating systems are maximum outputs. In normal operation, the heating usually works in intermittent operation in order to keep a constant room temperature in a controlled manner. With continuous operation of the heating system, the inevitably generated heat would lead to overheating of the rooms. This alone makes the installation of a heat accumulator in or on the building necessary if, as in the present case, the heating is connected to a power generation system via combined heat and power and heat and power are to be generated and used synchronously for charging e-vehicles .

Üblicherweise sind Blockheizkraftwerke als Heizungsanlagen Wärmebedarf-gesteuert. Die elektrische Energie wird als Nebenprodukt der Wärmeerzeugung in das Stromnetz eingespeist. Das dieser Erfindung entsprechende Blockheizkraftwerk ist aber vorwiegend vom Strombedarf an den e-Ladestationen, mit denen das Blockheizkraftwerk durch ein Kabel verbunden ist, gesteuert. Hinzu kommt, dass die Steuerung der Stromerzeugung von aussen durch die Nutzer der e-Ladestationen erfolgt. Zur Überwindung der daraus folgenden zwangsläufigen Asynchronität von Wärmebedarf bei der Raumheizung einerseits und dem Strombedarf an den-e-Ladestationen andererseits gibt es zwei Lösungen:

1. Aus dem Blockheizkraftwerk wird beim Anfall überschüssiger elektrischer Energie diese in das Stromnetz abgegeben oder bei Stillstand des Blockheizkraftwerkes nehmen, weil der Wärmebedarf im Gebäude gesättigt ist, die e-Ladestationen elektrische Energie aus dem Stromnetz auf. Mit der erfindungsgemäss hohen Effizienz arbeitet die Anlage dann nur in den Phasen, in denen das Blockheizkraftwerk synchron Strom an die e-Ladestationen und Wärme an die Raumheizung abgeben kann. Wird die e-Ladung auf diese Phasen beschränkt, entstehen längere Ladezeiten für e-Fahrzeuge.
2. Für eine hohe Effizienz der Stromerzeugung und durchgehende Ladung sind Wärmespeicher unerlässlich. Dann kann bei Strombedarf an den e-Ladestationen bei gleichzeitig fehlendem Wärmebedarf bei der Raumheizung die anfallende Wärme gespeichert werden und der Wärmespeicher kann die Wärme zeitversetzt an die Heizung abgeben. Das Blockheizkraftwerk schaltet bei fehlendem Strombedarf an den e-Ladesäulen ab und Lieferung der Wärme erfolgt aus dem Wärmespeicher.

Typically, block-type thermal power stations are heating systems that are controlled by heat demand. The electrical energy is fed into the power grid as a by-product of heat generation. The block-type thermal power station corresponding to this invention is, however, primarily controlled by the electricity demand at the e-charging stations to which the block-type thermal power station is connected by a cable. In addition, electricity generation is controlled externally by the users of the e-charging stations. There are two solutions to overcome the inevitable asynchronicity of the heat demand for space heating on the one hand and the electricity demand at the e-charging stations on the other:

1. If there is excess electrical energy in the block-type thermal power station, it is released into the power grid or, when the block-type thermal power station is idle, the e-charging stations draw electrical energy from the power grid because the heat demand in the building is saturated. With the high efficiency according to the invention, the system then only works in the phases in which the combined heat and power unit can synchronously deliver electricity to the e-charging stations and heat to the room heating. If e-charging is limited to these phases, longer charging times will result for e-vehicles.
2. Heat storage systems are essential for high efficiency in power generation and continuous charging. Then, when there is a need for electricity at the e-charging stations and there is no heat demand for the room heating, the heat generated can be stored and the heat storage unit can transfer the heat to the heating system with a time delay. The block-type thermal power station switches off when there is no power requirement at the e-charging stations and the heat is supplied from the heat storage unit.

Zusammengefasst werden e-Ladestationen an Parkplätzen für Batterie betriebene Kraftfahrzeuge im dezentralen Kraft-Wärme Verbund

• durch ein in oder bei einem Gebäude befindendes Blockheizkraftwerk, in welchem aus dem Gasnetz entnommenes Erdgas verbrannt wird, mit elektrischer Energie versorgt und
• die neben elektrischer Energie erzeugte Wärme zur Beheizung und/oder zur Warmwasseraufbereitung des Gebäudes, bei oder in dem sich das Blockheizkraftwerk befindet, verwendet und
• die Wärmeabgabe an das Gebäude und die Stromabgabe an e-Ladestationen zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades bei der Stromerzeugung synchron erfolgt und
• die elektrische Energie vom Blockheizkraftwerk zu e-Ladestation(en) über ein separates, vom allgemeinen Stromnetz unabhängiges, Kabel geleitet wird und
• der Betrieb des Blockheizkraftwerkes zum Zwecke der Stromerzeugung vom Benutzer der e-Ladestation geschaltet wird und
• bei Strombedarf an der/den e-Ladestationen und fehlendem Bedarf an Wärme für die Raumheizung das Blockheizkraftwerk weiterläuft und die dabei erzeugte Wärme gespeichert wird und die gespeicherte Wärme bei bedarfsbedingtem Stillstand des Blockheizkraftwerkes zeitversetzt zur Gebäudeheizung verwendet wird und
• bevorzugt bei synchroner Erzeugung und Nutzung von Wärme zur Gebäude-Heizung und elektrischer Energie zur Versorgung der e-Ladestationen solches Erdgas aus dem Gasnetz entnommen und verbrannt wird, bei dem die äquivalente Menge an Wasserstoff oder Biogas oder synthetischem Methan zuvor in das Gasnetz eingeleitet wird, und für e-Ladestationen bestimmte elektrische Energie solchem Erdgas zugeordnet wird und die Wärme durch fossiles Erdgas erzeugt wird und
• bei der Verwendung von synthetischem Methan Kohlendioxid aus der Erdgasverbrennung im Blockheizkraftwerk aus den Verbrennungsgasen abgetrennt wird und zur erneuten Erzeugung von synthetischem Methan wiederverwendet wird.

In summary, e-charging stations in parking lots for battery-operated vehicles are part of a decentralized combined heat and power system

• supplied with electrical energy by a block-type thermal power station located in or near a building, in which natural gas taken from the gas network is burned, and
• The heat generated in addition to electrical energy is used for heating and / or for hot water preparation of the building in which the block-type thermal power station is located, and
• the heat output to the building and the power output to e-charging stations to achieve a high degree of efficiency in power generation takes place synchronously and
• the electrical energy from the block-type thermal power station to the e-charging station (s) is routed via a separate cable that is independent of the general electricity network and
• the operation of the combined heat and power unit for the purpose of generating electricity is switched on by the user of the e-charging station and
• If there is a need for electricity at the e-charging station (s) and there is no need for heat for space heating, the combined heat and power unit continues to run and the heat generated is stored and the stored heat is used to heat the building with a delay when the combined heat and power unit comes to a standstill and
• In the case of synchronous generation and use of heat for building heating and electrical energy to supply the e-charging stations, natural gas is preferably taken from the gas network and burned in which the equivalent amount of hydrogen or biogas or synthetic methane is first fed into the gas network , and for e-charging stations certain electrical energy is assigned to such natural gas and the heat is generated by fossil natural gas and
• When using synthetic methane, carbon dioxide from natural gas combustion in the combined heat and power plant is separated from the combustion gases and reused to generate synthetic methane again.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zur dezentralen Erdgasverbrennung mit Kraft-Wärme-Kopplung, umfassend

1. ein Blockheizkraftwerk, welches synchron sowohl elektrische Energie als auch Wärmeenergie erzeugt und das sich in oder bei einem zu beheizenden Gebäude befindet und
2. Heizkörper, vorzugsweise eine Fussbodenheizung oder Nachtspeicherheizung, in welche die Wärmeenergie des Blockheizkraftwerkes zur Raumheizung in das zu beheizenden Gebäude geleitet wird und
3. An Parkplätzen befindende e-Ladestationen für Batteriebetriebene e-Fahrzeuge, zu denen die elektrische Energie geleitet wird und
4. Kabel, mit welchen die elektrische Energie vom Blockheizkraftwerkes zu der/den e-Ladestation(en) geleitet wird und
5. eine Vorrichtung, mit welcher beim Einschalten der e-Ladestation(en) das durch das Kabel verbundene Blockheizkraftwerk eingeschaltet wird und die Leistung im Blockheizkraftwerk dem Strombedarf an der/den e-Ladestation(en) angepasst wird.
6. ein Wärmespeicher, vorzugsweise ein Wassertank, im oder am zu beheizenden Gebäude, der die synchron zur Erzeugung von elektrischer Energie für die e-Ladestation(en) anfallende überschüssige Wärme speichert und der die gespeicherte Wärme zeitversetzt über einen Kreislauf, der mit dem Heizungskreislauf über einen Wärmetauscher verbunden ist, an die Heizkörper abgibt.

The present invention also relates to a device for decentralized natural gas combustion with combined heat and power, comprising

1. a block-type thermal power station which synchronously generates both electrical energy and thermal energy and which is located in or near a building to be heated and
2. Radiators, preferably underfloor heating or night storage heating, in which the thermal energy of the block-type thermal power station is fed into the building to be heated for space heating and
3. e-charging stations for battery-operated e-vehicles located in parking lots, to which the electrical energy is routed and
4. Cables with which the electrical energy is routed from the cogeneration unit to the e-charging station (s) and
5. a device with which, when the e-charging station (s) is switched on, the cogeneration unit connected by the cable is switched on and the output in the cogeneration unit is adapted to the electricity demand at the e-charging station (s).
6. A heat storage device, preferably a water tank, in or on the building to be heated, which stores the excess heat generated synchronously with the generation of electrical energy for the e-charging station (s) and which stores the stored heat with a time delay via a circuit that connects to the heating circuit is connected via a heat exchanger to which the radiator emits.

Das vorliegende Verfahren soll erneuerbare Energien nach der Power to Gas Technologie mit grosser Effizienz unter Umgehung des Stromnetzes an e-Ladestationen leiten. Dabei erzeugt ein in oder an einem Gebäude befindendes Blockheizkraftwerk durch Verbrennen von Erdgas synchron Wärme zur Heizung des Gebäudes und elektrische Energie für e-Ladestationen in der Nähe des Gebäudes. Wärme zur Gebäudeheizung und elektrische Energie sollen zum Erreichen eines hohen Wirkungsgrades bei der Stromerzeugung synchron verbraucht und genutzt werden und das Blockheizkraftwerk wird durch ein separates Kabel mit der/den e-Ladestation(en) verbunden. Das Blockheizkraftwerk wird zur Stromerzeugung durch die Nutzer der e-Ladestationen geschaltet.The present process is intended to direct renewable energies to e-charging stations with great efficiency using power-to-gas technology, bypassing the power grid. A combined heat and power plant in or on a building generates heat by burning natural gas synchronously to heat the building and electrical energy for e-charging stations in the vicinity of the building. Heat for building heating and electrical energy should be consumed and used synchronously in order to achieve a high degree of efficiency in power generation and the block-type thermal power station is connected to the e-charging station (s) by a separate cable. The combined heat and power plant is switched on to generate electricity by the users of the e-charging stations.

Das am weitesten fortgeschrittene Power to Gas Verfahren ist die Einspeisung von durch Wasserelektrolyse erzeugtem Wind- und Solarwasserstoff in das Erdgasnetz und die nachfolgende Rückverstromung der entsprechenden Menge an Erdgas nach dessen Ausspeisung. Die Einspeisung von bis zu 5% Wasserstoff in Erdgas ist durch das Energie Wirtschaftsgesetz (EnWG) geregelt.The most advanced power to gas process is the feeding of wind and solar hydrogen generated by water electrolysis into the natural gas network and the subsequent reconversion of the corresponding amount of natural gas after its withdrawal. The feeding of up to 5% hydrogen in natural gas is regulated by the Energy Industry Act (EnWG).

Wird nun in dem erfindungsgemässen Blockheizkraftwerk, bei dem Wärme und elektrische Energie synchron erzeugt werden, die Wärme für die Heizung und die elektrische Energie für die e-Ladestationen synchron genutzt/verbraucht, so wird, da der Gesamtwirkungsgrad der Anlage dann nahe bei 100% liegt, auch jede Energieart für sich mit einem Wirkungsgrad von nahezu 100% erzeugt. Ordnet man nun die elektrische Energie für die e-Ladestationen dem ursprünglich in das Gasnetz eingeleiteten Wasserstoff zu, so erfolgt nach dem vorliegenden Verfahren die Erzeugung von Ladestrom für e-Fahrzeuge aus Wind- oder Solar-Wasserstoff mit einem Wirkungsgrad von fast 100%. Dazu muss sowohl die elektrische Energie als auch die Wärme vor Ort mit kurzen Leitungswegen unmittelbar und synchron genutzt/verbraucht werden und die elektrische Energie in einem separaten, vom Stromnetz unabhängigen Kabel zu den e-Ladestationen geleitet werden.If the combined heat and power plant according to the invention, in which heat and electrical energy are generated synchronously, the heat for the heating and the electrical energy for the e-charging stations are used / consumed synchronously, the The overall efficiency of the system is then close to 100%, and each type of energy is generated with an efficiency of almost 100%. If the electrical energy for the e-charging stations is now assigned to the hydrogen originally fed into the gas network, the present process generates charging current for e-vehicles from wind or solar hydrogen with an efficiency of almost 100%. For this purpose, both the electrical energy and the heat on site must be used / consumed directly and synchronously with short conduction paths and the electrical energy must be routed to the e-charging stations in a separate cable that is independent of the power grid.

Wind oder Solarwasserstoff wird im Gasnetz zu e-Ladestationen geleitet und dezentral mit hohem Wirkungsgrad in elektrische Energie umgewandelt.Wind or solar hydrogen is fed to e-charging stations in the gas network and converted into electrical energy in a decentralized manner with a high degree of efficiency.

Blockheizkraftwerke werden üblicherweise vom Wärmebedarf gesteuert. Die synchron verlaufende Stromerzeugung ist dann nicht bedarfsgesteuert und ist daher ebenso wie Wind- und Solarstrom fluktuierend.Combined heat and power plants are usually controlled by the heat demand. The synchronous power generation is then not demand-driven and is therefore fluctuating just like wind and solar power.

Durch die Verwendung eines Wärmespeichers, der bei laufender Stromerzeugung momentan nicht benötigte Wärme speichert und die gespeicherte Wärme zeitversetzt bei später vorhandenem Bedarf an die Raumheizung abgibt, kann die Energieerzeugung im Blockheizkraftwerk auch vom Strombedarf gesteuert werden. Das erfindungsgemässe Blockheizkraftwerk kann folglich auch zum Ausgleich von Versorgungslücken bei elektrischer Energie oder allgemein zur Stabilisierung des Stromnetzes verwendet werden.By using a heat accumulator that stores heat that is currently not required while electricity is being generated and releases the stored heat to the room heating system with a time delay when there is a need later, the energy generation in the block-type thermal power station can also be controlled by the electricity demand. The block-type thermal power station according to the invention can consequently also be used to compensate for gaps in the supply of electrical energy or generally to stabilize the power grid.

Dabei hat, vergleichbar zum Nutzer der e-Ladestationen, das Stromnetz bei Bedarf Zugriff auf ein oder mehrere Blockheizkraftwerk(e). Durch die hohe Effizienz bei der Rückverstromung von zuvor in das Gasnetz eingeleitetem Windgas erfolgt dann dessen Speicherung und Leitung im Gasnetz und anschliessender Rückverstromung mit annähernd gleichen Verlusten wie der Transport von Windstrom in Hochspannungsfernleitungen. Zumal nach dem Energiewirtschaftsgesetz (EnWG) die in das Gasnetz eingeleitetem Ökogas entsprechende Menge an Erdgas an anderer Stelle direkt aus dem Gasnetz entnommen werden kann. Transportverluste sind bei der Power to Gas Technologie deshalb ausgeschlossen.Similar to the user of the e-charging stations, the power grid has access to one or more combined heat and power units if required. Due to the high efficiency of the reconversion of wind gas previously fed into the gas network, it is then stored and conducted in the gas network and then reconverted with approximately the same losses as the transport of wind power in high-voltage transmission lines. Especially since, according to the Energy Industry Act (EnWG), the corresponding amount of natural gas fed into the gas network can be taken directly from the gas network at another point. Transport losses are therefore excluded with Power to Gas technology.

Die Kapazität der verwendeten Wärmespeicher ist zwar nicht geeignet, z. B. eine tagelange Windflaute auszugleichen, sie reicht jedoch, um bei Solarstrom die nächtliche Versorgungslücke zu schliessen. Auch können kurzzeitige Bedarfsspitzen abgedeckt werden. Im Übrigen kann das Blockheizkraftwerk bei weiterem Strombedarf im Netz auch bei vollem Wärmespeicher weiterlaufen. Die Wärme wird dann freigesetzt und die Stromerzeugungsanlage des Blockheizkraftwerkes läuft mit seinem niedrigeren, spezifischen Wirkungsgrad weiter.The capacity of the heat storage tank used is not suitable, e.g. B. to compensate for a day-long lull in wind, but it is enough to close the nocturnal supply gap with solar power. Short-term peaks in demand can also be covered. Incidentally, the combined heat and power unit can continue to run if there is further electricity demand in the network, even if the heat storage tank is full. The heat is then released and the power generation system of the combined heat and power plant continues to run with its lower, specific efficiency.

In einer weiteren Ausführungsform dieser Erfindung werden somit Blockheizkraftwerke mit hoher Effizienz zum dezentralen Ausgleich von Versorgungslücken in einem Stromnetz, bzw. zur Netzstabilisierung verwendet, indem ein oder mehrere Blockheizkraftwerke, welche sich in oder bei Gebäuden befinden und der Heizung der Gebäude dienen, beim Auftreten einer Versorgungslücke im Stromnetz durch dieses Stromnetz eingeschaltet werden und zum Erreichen einer maximalen Effizienz Wärme für die Gebäudeheizung und elektrische Energie zur Stabilisierung des Stromnetzes synchron erzeugt und genutzt werden und bei fehlendem Wärmebedarf im Gebäude die erzeugte Wärme gespeichert wird und die gespeicherte Wärme zeitversetzt bei Wärmebedarf an das Gebäude abgegeben wird und das Blockheizkraftwerk dann in der Leistung heruntergefahren oder abgeschaltet wird.In a further embodiment of this invention, combined heat and power plants with high efficiency are used for the decentralized compensation of supply gaps in a power grid, or for network stabilization by using one or more combined heat and power plants, which are located in or near buildings and are used to heat the buildings, when a Supply gap in the power grid can be switched on by this power grid and, to achieve maximum efficiency, heat for the building heating and electrical energy to stabilize the power grid are generated and used synchronously and, if there is no heat demand in the building, the generated heat is stored and the stored heat is sent to the with a time delay when there is a heat demand Building is released and the combined heat and power unit is then shut down or switched off.

Ferner erfolgt die Stromerzeugung im Blockheizkraftwerk durch Verbrennen von zuvor in das Gasnetz eingespeistem Wasserstoff oder synthetischem Methan oder Biogas (bzw. deren Äquivalenten an Erdgas), und die synchron hierzu erzeugte Wärme erfolgt durch Verbrennen von Erdgas. Hierdurch wird Ökostrom an das Stromnetz abgegeben während die Raumheizung nicht mit Ökowärme erfolgt. Die quantitative Zuordnung der in das Stromnetz eingeleiteten elektrischen Energie zu dem zuvor in das Gasnetz eingeleiteten Ökogas ist möglich, weil nach dem Energiewirtschaftsgesetz in das Gasnetz eingeleitetes Ökogas (z. B. Elektrolysewasserstoff) nach seinem Heizwert in KWh bewertet wird und die durch das Blockheizkraftwerk erzeugte und in das Stromnetz eingeleitete elektrische Energie ebenfalls in KWh angegeben wird und das Blockheizkraftwerk bei der erfindungsgemässen Fahrweise mit einem Rückverstromungs-Wirkungsgrad von nahe 100% arbeitet.In addition, electricity is generated in the block-type thermal power station by burning hydrogen or synthetic methane or biogas (or their equivalents of natural gas) that were previously fed into the gas network, and the heat generated synchronously with this is done by burning natural gas. As a result, green electricity is fed into the power grid while the room is not heated with green heat. The quantitative allocation of the electrical energy fed into the power grid to the green gas previously fed into the gas network is possible because, according to the Energy Industry Act, green gas fed into the gas network (e.g. electrolysed hydrogen) is evaluated according to its calorific value in KWh and that generated by the block-type thermal power station and electrical energy introduced into the power grid is also given in KWh and the block-type thermal power station operates with a reconversion efficiency of close to 100% in the mode of operation according to the invention.

Bei der Abtrennung von Kohlendioxid aus den Rauchgasen und dessen Wiederverwendung zur Methanisierung von Elektrolysewasserstoff kann auch die Menge an Kohlendioxid abgetrennt Bei der Abtrennung von Kohlendioxid aus den Rauchgasen und dessen Wiederverwendung zur Methanisierung von Elektrolysewasserstoff kann auch die Menge an Kohlendioxid abgetrennt werden, die bei der Erzeugung von elektrischer Energie anfällt und die der Wärmeerzeugung zugeordnete Menge an Kohlendioxid wird freigesetzt. Dann wird gezielt Ökostrom neben „fossiler“ Wärme erzeugt.When separating carbon dioxide from the flue gases and reusing it for methanation of electrolysis hydrogen, the amount of carbon dioxide can also be separated of electrical energy is generated and the amount of carbon dioxide assigned to the generation of heat is released. Then green electricity is generated in addition to "fossil" heat.

Das erfindungsgemäße Blockheizkraftwerk taugt sowohl zur Versorgung von e-Ladestationen, als auch zur Stabilisierung eines Stromnetzes. Beides mit effizient erzeugtem Ökostrom. Sowohl bei der Versorgung von e-Ladestationen als auch bei der Stabilisierung eines Stromnetzes wird die elektrische Energie von Außerhalb des durch das Blockheizkraftwerk des beheizten Gebäudes angefordert. Im ersten Fall durch den/die Nutzer der e-Ladstation(en), im zweiten Fall durch das Stromnetz. In beiden Fällen wird überschüssige Wärme bei fehlendem Wärmebedarf im Gebäude nicht an die Raumheizung abgegeben und auch nicht freigesetzt, sondern gespeichert. In beiden Fällen kann gesondert Ökostrom hergestellt werden, indem Heizungswärme einerseits und elektrische Energie andererseits durch Verbrennen von Erdgas mit unterschiedlichen Eigenschaften erzeugt wird. Die Heizungswärme wird mit Erdgas erzeugt, das beim Verbrennen fossiles Kohlendioxid freisetzt. Die elektrische Energie wird durch Verbrennen von solchem Erdgas erzeugt, bei dem die äquivalente Menge an Elektrolysewasserstoff oder synthetischem Methan oder Biogas zuvor in das Gasnetz eingeleitet wurde und dessen Kohlendioxid-Emission daher klimaneutral erfolgt. In beiden Fällen entspricht die Menge der im Blockheizkraftwerk erzeugten elektrischen Energie in KWh gemesssen dem Heizwert des zuvor in das Erdgasnetz eingeleiteten Elektrolysewasserstoffes oder des synthetischen Methans oder des Biogases.The block-type thermal power station according to the invention is suitable both for supplying e-charging stations and for stabilizing a power grid. Both with efficiently generated green electricity. Both when supplying e-charging stations and when stabilizing a power grid, the electrical energy is requested from outside the heated building by the combined heat and power unit. In the first case by the user (s) of the e-charging station (s), in the second case by the power grid. In both cases, when there is no heat demand in the building, excess heat is not transferred to the room heating system and is not released, but stored. In both cases, green electricity can be produced separately by generating heating heat on the one hand and electrical energy on the other by burning natural gas with different properties. The heating is generated with natural gas, which releases fossil carbon dioxide when burned. The electrical energy is generated by burning natural gas in which the equivalent amount of electrolysis hydrogen or synthetic methane or biogas was previously introduced into the gas network and whose carbon dioxide emissions are therefore climate-neutral. In both cases, the amount of electrical energy generated in the block-type thermal power station, measured in KWh, corresponds to the calorific value of the electrolysis hydrogen or synthetic methane or biogas previously introduced into the natural gas network.

Da sowohl die Erzeugung von Wärme für die Gebäudeheizung als auch die Erzeugung elektrischer Energie zur Stabilisierung des Stromnetzes bzw. zur Versorgung von e-Ladestationen getrennt voneinander vom Bedarf gesteuert ist, der erfindungsgemäß hohe Wirkungsgrad bei der Stromerzeugung aber nur bei synchroner Erzeugung und Nutzung von Strom und Wärme erreicht wird, wird bei bedarfsbedingter Stromerzeugung und fehlendem Wärmebedarf die Wärme gespeichert. Bei später fehlendem Strombedarf kann die gespeicherte Wärme zeitversetzt an die Gebäudeheizung abgegeben werden und das Blockheizkraftwerk wird abgestellt oder heruntergefahren.Since both the generation of heat for building heating and the generation of electrical energy to stabilize the power grid or to supply e-charging stations are controlled separately from one another, the high efficiency of electricity generation according to the invention is only possible with synchronous generation and use of electricity and heat is achieved, the heat is stored in the event of demand-related power generation and lack of heat demand. If there is later a lack of electricity, the stored heat can be transferred to the building heating system with a time delay and the combined heat and power unit is switched off or shut down.

Wegen der großen Kapazitätsunterschiede zwischen dezentralem Blockheizkraftwerk und allgemeinem Stromnetz, empfiehlt es sich, an einer Netzstabilisierung eine größere Anzahl von Blockheizkraftwerken zu beteiligen, welche je nach Bedarf nacheinander zugeschaltet werden.Because of the large differences in capacity between the decentralized block-type thermal power station and the general power grid, it is advisable to include a larger number of block-type thermal power stations in network stabilization, which can be switched on one after the other as required.

Werden Wärmepumpen verwendet, dann können sie durch ihr Zusammenwirken mit der Nutzung von Erdwärme die Wärme-Speicherfähigkeit des Erdbodens nutzen. Dabei wird über das Medium (z.B. Wasser), das sonst dem Boden Wärme entzieht, zu speichernde Wärme in den Boden geleitet. Bei dieser Technologie werden unvermeidliche Randverluste durch die Erschliessung einer grösseren Nachbarschaft, gegebenenfalls sogar einer ganzen Siedlung oder eines gewerblichen Gebäudekomplexes, minimiert.If heat pumps are used, they can use the heat storage capacity of the ground through their interaction with the use of geothermal energy. The medium (e.g. water), which otherwise draws heat from the soil, transfers heat to be stored into the soil. With this technology, unavoidable marginal losses due to the development of a larger neighborhood, possibly even an entire settlement or a commercial building complex, are minimized.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird getrennt von der Heizungswärme selektiv Ökostrom mit hoher Effizienz erzeugt, indem nur zur Erzeugung der elektrischen Energie solches Erdgas verwendet wird, für welches die äquivalente Menge an Elektrolysewasserstoff oder synthetischem Methan oder Biogas zuvor in das Gasnetz eingeleitet wird und die Menge der erzeugten, bzw. in das Stromnetz eingeleiteten elektrischen Energie in KWh gemessen dem Heizwert des zuvor in das Gasnetz eingeleiteten Wasserstoffes oder des synthetischen Methans oder des Biogases entspricht. According to the method according to the invention, green electricity is selectively generated with high efficiency separately from the heating, by only using natural gas to generate the electrical energy for which the equivalent amount of electrolysis hydrogen or synthetic methane or biogas is previously introduced into the gas network and the amount of The electrical energy generated or fed into the power grid, measured in KWh, corresponds to the calorific value of the hydrogen or synthetic methane or biogas previously fed into the gas grid.

Ausführungsbeispiel: Die Umrüstung einer zu erneuernden Ölheizung in einem Gebäude zu einem erfindungsgemässen Blockheizkraftwerk erfolgt, in dem der Heizöl-Brenner z.B. durch eine mit Erdgas betriebene Feststoffbrennstoffzelle ersetzt wird.Exemplary embodiment: An oil heating system to be renewed in a building is converted into a combined heat and power unit according to the invention, in which the heating oil burner is replaced, for example, by a solid fuel cell operated with natural gas.

Die erzeugte Elektrische Energie wird über ein separates Elektrokabel zu e-Ladestationen an Park- oder Stellplätzen bei dem Gebäude oder in das Stromnetz ei geleitet. Die in der Feststoffbrennstoffzelle erzeugte Wärme wird als Heizungswärme an das Gebäude abgegeben.The generated electrical energy is fed via a separate electrical cable to e-charging stations at parking lots or parking spaces near the building or into the power grid. The heat generated in the solid fuel cell is transferred to the building as heating energy.

Der Heizöltank wird entleert, gesäubert, mit Wasser befüllt, über Kreislauf und Wärmetauscher an den Heizungskreislauf angeschlossen und als Wärmespeicher verwendet.The heating oil tank is emptied, cleaned, filled with water, connected to the heating circuit via a circuit and heat exchanger and used as a heat store.

Zur Abführung überschüssiger Wärme in den Sommermonaten wird ein Wärmetauscher/Kühler am Dach des Gebäudes angebracht.To dissipate excess heat in the summer months, a heat exchanger / cooler is installed on the roof of the building.

Das Blockheizkraftwerk wird an das Erdgasnetz angeschlossen.The block-type thermal power station is connected to the natural gas network.

Zur Erzeugung von Ökostrom mit hohem Wirkungsgrad wird Erdgas verwendet, welches ein Zertifikat für zuvor in das Gasnetz eingeleitetem Elektrolysewasserstoff oder synthetischem Methan oder Biogas besitzt.Natural gas is used to generate high-efficiency green electricity, which has a certificate for electrolysis hydrogen or synthetic methane or biogas previously introduced into the gas network.

Der hohe Gesamtwirkungsgrad des erfindungsgemässen Blockheizkraftwerkes und damit auch der Einzelwirkungsgrad bei der Erzeugung der beiden Energiearten Wärme und Strom ist unabhängig vom individuellen Wirkungsgrad der im Blockheizkraftwerk eingesetzten Stromerzeugungsanlage. Ein niedrigerer individueller Wirkungsgrad der Stromerzeugungsanlage, z.B. wenn anstelle einer Feststoffbrennstoffzelle ein mit Erdgas betriebener Verbrennungsmotor eingesetzt wird, bewirkt lediglich eine Verschiebung des Verhältnisses von erzeugter elektrischer Energie zu Wärmeenergie zugunsten der Wärmeenergie.The high overall efficiency of the block-type thermal power station according to the invention and thus also the individual efficiency when generating the two types of energy, heat and electricity, is independent of the individual efficiency of the power generation system used in the block-type thermal power station. A lower individual efficiency of the power generation system, e.g. if a combustion engine powered by natural gas is used instead of a solid fuel cell, only causes a shift in the ratio of generated electrical energy to thermal energy in favor of thermal energy.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 102012025722 B3 [0007, 0008]
DE 102015213484 A1 [0007]

Claims

Method for stabilizing an electricity network with green electricity through a block-type thermal power station, in which both the generation of heat for building heating and the generation of electrical energy to stabilize an electricity network is controlled by demand, characterized in that to achieve a high level of efficiency in generation electrical energy this is generated synchronously with the heat for heating one or more buildings and when electrical energy is requested by the power grid and there is no heat requirement for the building heating at the same time, the excess heat is stored and the combined heat and power unit is switched off or reduced with a delay if there is no or reduced electricity demand later and the stored heat is given off to the building heating system, furthermore that only the electrical energy is generated by burning such natural gas, in which the equivalent amount of electrolysis hydrogen or synthetic methane ode r biogas is fed into the gas network beforehand and the amount of electrical energy generated or supplied to the electricity network in KWh, measured in KWh, corresponds to the calorific value of the electrolysis hydrogen or synthetic methane or biogas previously fed into the gas network.

Procedure according to Claim 1 , in which the heat generated synchronously with the electrical energy is stored by underfloor heating.

Procedure according to Claim 1 , in which the heat generated synchronously with the generated electrical energy is stored in the ceilings or walls of the heated building.

Procedure according to Claim 1 , in which the heat generated synchronously with the generated electrical energy is stored in a container / tank filled with water and the water transfers the stored heat to the heating circuit of the building (s) to be heated via a heat exchanger.

Procedure according to Claim 1 , in which a large number of block-type thermal power stations are involved in stabilizing a power grid and these are switched on one after the other as required.

Procedure according to Claim 1 in which the ground is used as a heat store in conjunction with a heat pump.