DE102021104036A1

DE102021104036A1 - Dezentrales Energieversorgungssystem

Info

Publication number: DE102021104036A1
Application number: DE102021104036.1A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Niehoff; Diana Duque
Original assignee: H2 Powercell GmbH
Current assignee: H2 Powercell GmbH
Priority date: 2021-02-19
Filing date: 2021-02-19
Publication date: 2022-08-25

Abstract

Bei einem dezentralen Energieversorgungssystem, mit einer einem Gebäude (1) zugeordneten, lokalen Einrichtung zur Erzeugung von elektrischem Strom, einem elektrischen Pufferspeicher (5), einem Elektrolyseur (6), der dazu bestimmt ist, aus Wasser gasförmigen Wasserstoff zu erzeugen, sowie mit elektrischen Energieverbrauchern (11) und Wärmeverbrauchern (14), und mit einem Anschluss an eine Gasquelle (16), schlägt die Erfindung einen Wasserstoffspeicher (8) vor, der dazu bestimmt ist, den durch den Elektrolyseur (6) erzeugten Wasserstoff zu speichern, eine Brennstoffzelle (9), die dazu bestimmt ist, aus dem durch den Elektrolyseur (6) erzeugten und / oder gespeicherten Wasserstoff elektrische Energie und Wärme zu erzeugen, einen Wärmeträger, der die Brennstoffzelle (9) mit den Wärmeverbrauchern (14) in der Art verbindet, dass die von der Brennstoffzelle (9) erzeugte Wärme an die Wärmeverbraucher (14) übertragbar ist, einen Wechselrichter (10), der zwischen einerseits den Pufferspeicher (5) und die Brennstoffzelle (9) und andererseits elektrische Energieverbraucher (11) in der Art geschaltet ist, dass eine von dem Pufferspeicher (5) oder der Brennstoffzelle (9) bereitgestellte Gleichspannung in eine von den Energieverbrauchern (11) benötigte Wechselspannung umgewandelt wird, und eine Systemregelung (18), die in Abhängigkeit vom momentanen Angebot des lokal erzeugten elektrischen Stroms, von der im Wasserstoffspeicher (8) vorhandenen Wasserstoffmenge, von der im Pufferspeicher (5) vorhandenen Menge elektrischer Energie sowie von dem jeweiligen Bedarf der elektrischen Energieverbraucher (11) und der Wärmeverbraucher (14) die Befüllung oder Entleerung des Wasserstoffspeichers (8) und des Pufferspeichers (5) in der Art regelt, dass die Brennstoffzelle (9) in möglichst lang anhaltenden Intervallen oder kontinuierlich betrieben wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein dezentrales Energieversorgungssystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der Praxis ist es bekannt, Gebäude mit einer eigenen, lokalen Einrichtung zur Erzeugung von elektrischem Strom auszustatten, beispielsweise mit einer auf dem Gebäude montierten Photovoltaikanlage, oder, insbesondere im ländlichen Bereich, mit einer dem Gebäude zugeordneten Windkraftanlage. Der Bedarf des Gebäudes an elektrischer Energie kann auf diese Weise teilweise oder auch vollständig durch den lokal erzeugten elektrischen Strom gedeckt werden. Die unstete Verfügbarkeit von Wind und Sonnenlicht kann jedoch dazu führen, insbesondere bei der sogenannten „Dunkelflaute“, dass ein zusätzlicher Bedarf an extern bereitgestellter elektrischer Energie besteht. Aus diesem Grund dient ein Pufferspeicher, z.B. ein Akkumulator, zur Zwischenspeicherung elektrischer Energie, so dass im Überschuss erzeugte elektrische Energie zeitversetzt verbraucht werden kann.
Zusätzlich zu der elektrischen Energie wird typischerweise in Gebäuden auch Wärme benötigt, einerseits zur Beheizung des Gebäudes und andererseits beispielsweise als Prozesswärme in Betrieben oder als Brauchwasser in privaten Haushalten. Daher ist es weiterhin aus der Praxis bekannt, in dem Energieversorgungssystem eines Gebäudes Wasserstoff zu nutzen. Wenn die lokal erzeugte elektrische Energie im Überschuss vorliegt, wird mittels eines Elektrolyseurs Wasserstoffgas aus Wasser gewonnen und kann beispielsweise methanisiert werden, um das Methan als Brenngas zur Wärmeerzeugung nutzen zu können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Energieversorgungssystem dahingehend zu verbessern, dass möglichst gleichmäßig sowohl elektrische Energie als auch Wärme bereitgestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein dezentrales Energieversorgungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in dem Unteranspruch beschrieben.
Die Erfindung schlägt mit anderen Worten vor, den Wasserstoff nicht zu methanisieren, sondern vielmehr den Wasserstoff unmittelbar zu speichern, so dass mit der Methanisierung verbundene Umwandlungsverluste vermieden werden. Weiterhin ist vorschlagsgemäß eine Brennstoffzelle in das Energieversorgungssystem eingebunden. Die Brennstoffzelle verbraucht Wasserstoff und erzeugt sowohl Wärme als auch elektrische Energie, so dass gleichzeitig elektrische Verbraucher als auch Wärmeverbraucher versorgt werden können. Zu diesem Zweck sind die Wärmeverbraucher über einen Wärmeträger mit der Brennstoffzelle verbunden, beispielsweise in Form eines Heizwasserkreislaufs. Der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle wird negativ beeinflusst, wenn die Brennstoffzelle in kurzen Intervallen in Betrieb gesetzt und wieder abgeschaltet wird.
Um zur Versorgung der elektrischen und der Wärmeverbraucher vordringlich die lokal erzeugte elektrische Energie zu nutzen, nämlich mittels des Elektrolyseurs die lokal erzeugte elektrische Energie zur Erzeugung des Wasserstoffs zu verwenden, und um häufige Abschaltungen der Brennstoffzelle zu verhindern, weist das Energieversorgungssystem eine Systemregelung auf, die beispielsweise in Form einer elektronischen Steuerung ausgestaltet sein kann. Die Systemregelung ist darauf ausgelegt und dementsprechend programmiert, die Brennstoffzelle in möglichst lang anhaltenden Intervallen oder sogar kontinuierlich zu betreiben, so dass auch in dieser Hinsicht ein möglichst hoher Wirkungsgrad des Energieversorgungssystems unterstützt wird. Die Systemregelung ist einerseits dazu ausgelegt, die einzelnen Komponenten des Energieversorgungssystems anzusteuern, und ist andererseits mit den Komponenten sensorisch in derart verbunden, dass Füllstände, Betriebsdrücke, Temperaturen und weitere Parameter der Komponenten an die Systemregelung übermittelt werden.
Angesichts der unsteten Bereitstellung lokal erzeugter elektrischer Energie kann ein möglichst kontinuierlicher Betrieb der Brennstoffzelle dadurch erreicht werden, dass in Abhängigkeit von dem momentanen Angebot lokal erzeugter elektrischer Energie der Elektrolyseur entweder direkt mit dieser Energie betrieben wird oder mit elektrischer Energie, die aus dem Pufferspeicher entnommen wird, so dass jedenfalls über einen möglichst langen zusammenhängenden Zeitraum Wasserstoff erzeugt werden kann und dementsprechend die Laufzeit der den Wasserstoff verbrauchenden Brennstoffzelle optimiert werden kann. Und wenn die momentan verfügbare elektrische Energie, entweder direkt erzeugt oder aus dem Pufferspeicher, zum Betrieb des Elektrolyseurs und daher zur Erzeugung von Wasserstoff nicht ausreicht, kann mittels der Systemregelung eine Verbindung vom Wasserstoffspeicher zur Brennstoffzelle freigeschaltet werden, so dass nun unter Verwendung des zwischengespeicherten Wasserstoffs geöffnet die Brennstoffzelle weiter betrieben und sowohl elektrische Energie als auch Wärme erzeugt werden kann.
Für eine Situation, in welcher über längere Zeit die lokale Erzeugung elektrischen Stroms für die Versorgung der elektrischen Energieverbraucher und der Wärmeverbraucher des Gebäudes nicht ausreicht, kann die Erzeugung von Wasserstoff mittels eines Reformers vorgesehen sein, beispielsweise aus Erdgas oder aus Flüssiggas. Das Erdgas kann beispielsweise aus einem kommunalen Erdgasnetz entnommen werden, und das Flüssiggas kann beispielsweise aus einem lokal vorhandenen, in der Nähe des Gebäudes aufgestellten Flüssiggastank entnommen werden die Bereitstellung des Gases wird im Rahmen des vorliegenden Vorschlags als Gasquelle bezeichnet, so dass beispielsweise das erwähnte Erdgasnetz oder der erwähnte Flüssiggastank eine solche Gasquelle darstellen.
Im Falle der oben erwähnten Situation ist das Wasserstoffangebot, welches entweder mittels des Elektrolyseurs unmittelbar erzeugt wird oder durch den Wasserstoffspeicher bereitgestellt wird, nicht ausreichend, um die Brennstoffzelle betreiben zu können. Daher kann in einer Ausgestaltung vorgesehen sein, dass das an eine Gasquelle angeschlossene Energieversorgungssystem eine Zuleitung aufweist, die von einem Reformer zur Brennstoffzelle verläuft, so dass der im Reformer erzeugte Wasserstoff den Betrieb der Brennstoffzelle ermöglicht. Die Zuleitung kann entweder unmittelbar vom Reformer zur Brennstoffzelle verlaufen, oder mittelbar, beispielsweise unter Einschaltung eines Zwischenspeichers, wobei der ohnehin vorgesehene und bereits erwähnte Wasserstoffspeicher als ein solcher Zwischenspeicher genutzt werden kann.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der rein schematischen Darstellung nachfolgend näher erläutert.
In der Zeichnung ist ein Gebäude 1 dargestellt, mit einem Dach 2, auf welchem eine mit PV gekennzeichnete Photovoltaikanlage 3 angeordnet ist, um bei Sonneneinstrahlung lokal an dem Gebäude 1 elektrische Energie zu erzeugen. Über eine Stromleitung 4 wird der erzeugte Strom in eine mit B gekennzeichnete wieder aufladbarer Batterie eingespeist, die als ein Pufferspeicher 5 für die elektrische Energie dient. Die Stromleitung 4 verläuft weiter zu einem mit EL gekennzeichneten Elektrolyseur 6, der an eine Wasserleitung angeschlossen ist, die aus Übersichtlichkeit in der Zeichnung nicht dargestellt ist.
Mittels der elektrischen Energie wird in dem Elektrolyseur 6 aus dem Wasser gasförmiger Wasserstoff erzeugt und vom Elektrolyseur 6 über eine Wasserstoffleitung 7 in einen Wasserstoffspeicher 8 eingeleitet. Ein dazu vorgesehener Verdichter, der den erzeugten Wasserstoff auf ein für die Speicherung erforderliches Druckniveau bringt, ist ebenfalls aus über Sicherheitsgründen nicht dargestellt. Die Wasserstoffleitung 7 verläuft weiter vom Wasserstoffspeicher 8 zu einer mit BZ gekennzeichneten Brennstoffzelle 9, in welcher sowohl elektrischer Strom als auch Wärme erzeugt wird. Der mit einer Gleichspannung vorliegende elektrische Strom wird über eine weitere Stromleitung 4 wahlweise dazu genutzt, den Pufferspeicher 5 aufzufüllen, oder in einem Wechselrichter 10 umgewandelt zu werden, so dass er hinsichtlich Spannung und Frequenz dem aus dem öffentlichen Spannungsnetz verfügbaren Strom entspricht und von elektrischen Energieverbrauchern, die schematisch mit 12 angedeutet sind genutzt werden kann.
In der Brennstoffzelle 9 wird neben der elektrischen Energie auch Wärme erzeugt. Ein Wärmeträger, beispielsweise ein Fluid, strömt durch eine Wärmeleitung 12 von der Brennstoffzelle 9 zu Wärmeverbrauchern, die schematisch mit 14 angedeutet sind. Die Wärmeleitung 12 kann beispielsweise in Form eines Heizkreislaufs ausgestaltet sein, ähnlich wie dies von einer Zentralheizungsanlage bekannt ist. Da auch der Elektrolyseur 6 im Betrieb Wärme erzeugt, ist er ebenfalls an die Wärmeleitung 12 angeschlossen. Ähnlich wie der Wasserstoffspeicher 8 in der Wasserstoffleitung 7 vorgesehen ist, kann auch in die Wärmeleitung 12 ein Warmwasserspeicher eingebunden sein, um ein momentanes Überangebot an Wärme zwischenspeichern und zeitversetzt verbrauchen zu können.
Falls die Brennstoffzelle 9 nicht über die Wasserstoffleitung 7 mit einer ausreichenden Menge an Wasserstoff versorgt werden kann, um den Betrieb der Brennstoffzelle 9 aufrechtzuerhalten, kann die Brennstoffzelle 9 abgeschaltet werden, sofern die elektrischen Energieverbraucher 11 und die Wärmeverbraucher 14 entweder keinen Bedarf haben oder deren Bedarf durch den Pufferspeicher 5 und den ggf. vorgesehenen Warmwasserspeicher gedeckt werden kann. Alternativ kann jedoch vorgesehen sein, den Betrieb der Brennstoffzelle 9 durch Wasserstoff zu ermöglichen, der durch einen mit RE gekennzeichneten Reformer 15 erzeugt wird. Eine schematisch außerhalb des Gebäudes 1 angedeutete Gasquelle 16, beispielsweise in Form eines kommunalen Erdgasnetzes, speist den Reformer 15 mit dem entsprechenden Gas, und der daraus gewonnene Wasserstoff wird über eine Zuleitung 17 unmittelbar vom Reformer 15 in die Brennstoffzelle 9 eingeleitet. Abweichend von dem rein schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, in die Zuleitung 17 einen Zwischenspeicher für Wasserstoff einzubinden. Dies kann beispielsweise auch dadurch erfolgen, dass die Zuleitung 17 zum Wasserstoffspeicher 8 verläuft, so dass auf diese Weise der im Reformer 15 erzeugt Wasserstoff über die Zuleitung 17 indirekt in die Brennstoffzelle 9 gelangt, nämlich unter zusätzlicher Einschaltung des Wasserstoffspeichers 8 und der Wasserstoffleitung 7. Die Anbindung des Reformers 15 an die Gasquelle 16 erfolgt durch eine Gasleitung 20.
Eine Systemregelung 18 steuert die Komponenten des beschriebenen Energiesystems. Sie ist zu diesem Zweck durch Steuerleitungen 19 mit den verschiedenen Komponenten verbunden, wobei die Steuerleitungen 19 einerseits dazu dienen, die einzelnen Komponenten beispielsweise ein- und auszuschalten, z.B. im Falle des Elektrolyseur 6 und der Brennstoffzelle 9 sowie des Reformers 15, oder auch elektrische Relais oder Schalter zu betätigen, z.B. um den Stromfluss durch die Stromleitung 4 wahlweise zum Pufferspeicher 5 oder zum Wechselrichter 10 zu leiten, oder mittels der Steuerleitungen 19 können Ventile geöffnet und geschlossen werden, beispielsweise um die Wasserstoff-, Zu-, Wärme- und Gasleitungen 7, 12, 17 und 20 wahlweise öffnen oder schließen zu können. Aufgrund der rein schematischen Darstellungen repräsentieren die Steuerleitungen 19 aber auch Datenleitungen, die zur Übertragung von Sensorsignalen dienen, um beispielsweise die elektrische Spannung im Pufferspeicher 5, den Druck im Wasserstoffspeicher 8, ein Temperaturniveau im Warmwasserspeicher oder dergleichen erfassen und in der Systemregelung berücksichtigen zu können.
Bezugszeichenliste

1: Gebäude
2: Dach
3: Photovoltaikanlage
4: Stromleitung
5: Pufferspeicher
6: Elektrolyseur
7: Wasserstoffleitung
8: Wasserstoffspeicher
9: Brennstoffzelle
10: Wechselrichter
11: Elektrische Energieverbraucher
12: Wärmeleitung
14: Wärmeverbraucher
15: Reformer
16: Gasquelle
17: Zuleitung
18: Systemregelung
19: Steuerleitung
20: Gasleitung

Claims

Dezentrales Energieversorgungssystem, mit einer einem Gebäude (1) zugeordneten, lokalen Einrichtung zur Erzeugung von elektrischem Strom, einem elektrischen Pufferspeicher (5), einem Elektrolyseur (6), der dazu bestimmt ist, aus Wasser gasförmigen Wasserstoff zu erzeugen, sowie mit elektrischen Energieverbrauchern (11) und Wärmeverbrauchern (14), und mit einem Anschluss an eine Gasquelle (16), gekennzeichnet durch einen Wasserstoffspeicher (8), der dazu bestimmt ist, den durch den Elektrolyseur (6) erzeugten Wasserstoff zu speichern, durch eine Brennstoffzelle (9), die dazu bestimmt ist, aus dem durch den Elektrolyseur (6) erzeugten und / oder gespeicherten Wasserstoff elektrische Energie und Wärme zu erzeugen, einem Wärmeträger, der die Brennstoffzelle (9) mit den Wärmeverbrauchern (14) in der Art verbindet, dass die von der Brennstoffzelle (9) erzeugte Wärme an die Wärmeverbraucher (14) übertragbar ist, einen Wechselrichter (10), der zwischen einerseits den Pufferspeicher (5) und die Brennstoffzelle (9) und andererseits elektrische Energieverbraucher (11) in der Art geschaltet ist, dass eine von dem Pufferspeicher (5) oder der Brennstoffzelle (9) bereitgestellte Gleichspannung in eine von den Energieverbrauchern (11) benötigte Wechselspannung umgewandelt wird, und durch eine Systemregelung (18), die in Abhängigkeit vom momentanen Angebot des lokal erzeugten elektrischen Stroms, von der im Wasserstoffspeicher (8) vorhandenen Wasserstoffmenge, von der im Pufferspeicher (5) vorhandenen Menge elektrischer Energie sowie von dem jeweiligen Bedarf der elektrischen Energieverbraucher (11) und der Wärmeverbraucher (14) die Befüllung oder Entleerung des Wasserstoffspeichers (8) und des Pufferspeichers (5) in der Art regelt, dass die Brennstoffzelle (9) in möglichst lang anhaltenden Intervallen oder kontinuierlich betrieben wird.
Energieversorgungssystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Reformer (15), der an die Gasquelle (16) angeschlossen und dazu bestimmt ist, Wasserstoff aus dem Gas zu erzeugen, und eine Zuleitung (17), die den im Reformer (15) erzeugten Wasserstoff zu der Brennstoffzelle (9) leitet, wobei die Systemregelung (18) in der Art ausgestaltet ist, dass sie, wenn das Wasserstoffangebot des Wasserstoffspeichers (8) und des Elektrolyseurs (6) einen bestimmten Grenzwert unterschreitet, den Reformer (15) aktiviert.