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Die Erfindung betrifft ein Versorgungssystem zur Bereitstellung von elektrischer Energie und Wärmeenergie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus der Praxis ist es bekannt, dass Verbraucher wie z. B. Betriebe oder private Haushalte jeweils eine Anlage zur dezentralen, lokalen Erzeugung regenerativer elektrischer Energie aufweisen, z. B. in Form von Photovoltaik- oder Windkraftanlagen, so dass der Bedarf des jeweiligen Verbrauchers an elektrischer Energie teilweise, weitgehend oder sogar vollständig durch eine solche lokale Anlage bereitgestellt werden kann. Die Versorgungssicherheit ist aufgrund der unsteten Energieerzeugungsmöglichkeit eingeschränkt, so dass elektrische Energiespeicher in Form von wieder aufladbaren Batterien oder dergleichen genutzt werden können, um zunächst im Überschuss erzeugte elektrische Energie zeitversetzt, beispielsweise während einer sogenannten „Dunkelflaute“ verbrauchen zu können. Außerdem können derartige Verbraucher an ein Gasleitungsnetz angeschlossen sein, beispielsweise um in privaten Haushalten das Gas als Brenngas zu nutzen und mittels der erzeugten Wärme Heizungsanlagen oder Kochstellen zu betreiben. Als Gasquelle, die das Gas in das Gasleitungsnetz einspeist, kann beispielsweise eine Pipeline vorgesehen sein oder ein großer Gasspeicher wie ein Gasometer oder dergleichen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Versorgungssystem dahingehend zu verbessern, dass unter möglichst weitgehenden Verzicht auf die Verwendung fossiler Energieträger und mit einer möglichst hohen Versorgungssicherheit die an das Versorgungssystem angeschlossenen Verbraucher mit elektrischer Energie und mit Wärmeenergie versorgt werden können.
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Diese Aufgabe wird durch ein Versorgungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die Erfindung schlägt mit anderen Worten vor, nicht nur eine zentrale Gasquelle für das Gasleitung zu verwenden, beispielsweise in Form einer großen Elektrolyseanlage, sondern auch bei den Verbrauchern jeweils eine kleine Anlage zur Erzeugung des Gases zu errichten, nämlich in Form eines Mini-Elektrolyseurs, also einer Elektrolyse-Kleinanlage. Dementsprechend ist das Gasleitungsnetz des Versorgungssystems als Wasserstoffleitungsnetz ausgestaltet. Im Unterschied zu Gasen, die als fossile Energieträger aus Bodenschätzen gewonnen und ohne Regenerationsmöglichkeit verbraucht werden, ermöglicht die Verwendung von Wasserstoff, das Gas des Versorgungssystems aus Wasser herzustellen, wobei während der Erzeugung elektrischer Energie aus dem Wasserstoff mittels einer Brennstoffzelle wieder Wasser entsteht, so dass die Gasgewinnung und der Gasverbrauch praktisch in Art eines Kreislaufs durchgeführt werden können. Bei dem Verbraucher kann es sich um ein einzelnes Gebäude handeln oder auch um einen Zusammenschluss mehrerer Gebäude, beispielsweise in Art einer nachbarschaftlichen Genossenschaft.
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Dadurch, dass der Wasserstoff mittels elektrischer Energie gewonnen werden kann, kann jeder an das Wasserstoffleitungsnetz angeschlossene Verbraucher nicht nur Wasserstoff aus dem Wasserstoffleitungsnetz entnehmen, sondern mittels der beim Verbraucher vorhandenen Elektrolyse-Kleinanlage auch Wasserstoff erzeugen und in das Netz einspeisen. Wenn die beim Verbraucher vorhandene Anlage zur lokalen Erzeugung elektrischen Stroms aus regenerativen Energieträgern wie Wind oder Sonnenstrahlung die elektrische Energie im Überschuss bereitstellt, können einerseits die momentanen Abnahmestellen für elektrische Energie, die zu Beleuchtungs-, Heizungs- oder Antriebszwecken genutzt werden, mit lokal erzeugter elektrischer Energie versorgt werden, und der Überschussanteil der erzeugten elektrischen Energie kann mittels der beim Verbraucher vorhandenen Elektrolyse-Kleinanlage zur Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser genutzt werden. Dieser beim Verbraucher erzeugt Wasserstoff kann einerseits einen möglichst autarken Wasserstoff-Betrieb beim Verbraucher unterstützen, in dem der Wasserstoff in einem Wasserstoffspeicher des Verbrauchers bis zu einer späteren, zeitversetzten Entnahme zwischengespeichert werden kann. Insbesondere jedoch kann der lokal erzeugte Wasserstoff in das Wasserstoffleitungsnetz eingespeist werden, so dass andere an das Wasserstoffleitungsnetz angeschlossenen Verbraucher des Versorgungssystems diesen Wasserstoff verbrauchen können. Auf diese Weise wird die Versorgungssicherheit für sämtliche Verbraucher verbessert, da unterschiedliches Verbrauchsverhalten bei den einzelnen Verbrauchern zu einer Vergleichmäßigung der Nachfrage nach Wasserstoff führt und ein momentanes lokales Überangebot bei einem Verbraucher zur Bedarfsdeckung bei einem anderen Verbraucher genutzt werden kann.
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Dadurch, dass bei den Verbrauchern jeweils eine Brennstoffzelle vorgesehen ist, wird aus dem Wasserstoff sowohl elektrische Energie als auch Wärmeenergie gewonnen. Der Wasserstoff stellt dabei ein Speichermedium dar, welches einen zeitversetzten Verbrauch unstet verfügbarer regenerativer Energien ermöglicht. Auch hierdurch wird die Versorgungssicherheit für die einzelnen Verbraucher verbessert, da durch den Betrieb der Brennstoffzelle beim Verbraucher nicht nur die elektrische Energie zeitversetzt genutzt werden kann, sondern auch die Wärmeenergie. Dementsprechend sind Abnahmestellen des Verbrauchers, die zur Abnahme elektrische Energie oder von Wärmeenergie vorgesehen sind, jeweils über eine Stromleitung bzw. eine Wärmeträger Leitung mit der Brennstoffzelle des Verbrauchers verbunden, so dass mittels der Brennstoffzelle eine lokalautarke Versorgung des Verbrauchers mit elektrischer Energie und Wärme ermöglicht wird.
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Die bei dem Verbraucher vorhandene Brennstoffzelle ermöglicht mit ihrer Wärmeerzeugung die Versorgung für eine Wärme-Grundlast des Verbrauchers. Falls der Wärmebedarf jedoch in Form einer Spitzenlast über dem Wärmeangebot der Brennstoffzelle liegt, kann zur Bereitstellung zusätzlicher Wärmeenergie ein Spitzenlastkessel beim Verbraucher vorgesehen sein. Der Spitzenlastkessel ist als Heizkessel ähnlich wie bei einer Zentralheizung ausgestaltet und nutzt den Wasserstoff als Brenngas, so dass unter Verzicht auf die Erzeugung elektrischer Energie aus dem verwendeten Wasserstoff ein besonders hohes Maß an Wärmeenergie erzielt werden kann, die dann den Wärme-Abnahmestellen des Verbrauchers verfügbar gemacht werden. Hierzu ist, wie schon für die Brennstoffzelle beschrieben, auch der Spitzenlastkessel mittels einer Wärmeträgerleitung mit diesen Wärme-Abnahmestellen verbunden.
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Bei dem Verbraucher kann ein Blockheizkraftwerk, kurz als BHKW bezeichnet, vorgesehen sein, dass ähnlich wie der Spitzenlastkessel den Wasserstoff als Brenngas nutzt. Allerdings ist mittels des BHKW im Sinne einer Kraft-Wärme-Kopplung nicht nur die Erzeugung von Wärmeenergie, sondern vordringlich auch von mechanische Antriebsleistung oder - mittels eines an das BHKW angeschlossenen elektrischen Generators - elektrische Energie vorgesehen, so dass das BHKW sowohl über eine Stromleitung als auch über eine Wärmeträgerleitung mit den entsprechenden Elektro- und Wärme-Abnahmestellen des Verbrauchers verbunden ist.
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In einer Ausgestaltung des Versorgungssystems kann vorgesehen sein, dass ein Verbraucher einen Wasserstoffspeicher aufweist, um lokal erzeugten Wasserstoff nicht nur in das Wasserstoffleitungsnetz einspeisen zu können, sondern wahlweise auch lokal zwischenzuspeichern, so dass der Wasserstoff zeitversetzt in Wasserstoff-Abnahmestellen des Verbrauchers verbraucht werden kann. Hierdurch kann eine Vergleichmäßigung für die Betriebsbedingungen des Wasserstoffleitungsnetzes erreicht werden. Beispielsweise kann die Brennstoffzelle, aber auch der weiter oben erwähnte Spitzenlastkessel oder das BHKW eine solche Abnahmestelle für Wasserstoff darstellen.
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Die zentrale, als Gasquelle für das Wasserstoffleitungsnetz vorgesehene Elektrolyseanlage kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung des Versorgungssystems mit regenerativer elektrischer Energie betrieben werden. Zu diesem Zweck ist die Elektrolyseanlage an eine dementsprechende Energieerzeugungsanlage angeschlossen, beispielsweise an ein Windkraftwerk bzw. einen Windpark, oder an eine Photovoltaik- oder Wasserkraftanlage.
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Um die Betriebsbedingungen des Wasserstoffleitungsnetzes möglichst zu vergleichmäßigen, insbesondere wenn die zentrale Elektrolyseanlage mit unstet bereitgestellten regenerativen Energien betrieben wird, kann vorteilhaft der von dieser Elektrolyseanlage erzeugt Wasserstoff in einem Großspeicher gespeichert werden, der in das Wasserstoffleitungsnetz eingebunden ist und ein erheblich größeres Speichervolumen aufweist als ein Wasserstoffspeicher, wie er bei einem der an das Wasserstoffleitungsnetz angeschlossenen Verbraucher vorgesehen ist.
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Um eine möglichst hohe und autarke Versorgungssicherheit eines Verbrauchers zu gewährleisten kann der Verbraucher eine elektrischen Energiespeicher aufweisen, beispielsweise in Form einer wieder aufladbaren Batterie, so dass die beim Verbraucher lokal erzeugte elektrische Energie beim Verbraucher zwischengespeichert und zeitversetzt verwendet werden kann. Zu diesem Zweck ist der elektrische Energiespeicher mit einer oder mehreren Elektro-Abnahmestellen des Verbrauchers verbunden. Die Abnahmestellen können unmittelbar als Antriebe, Beleuchtungs- oder Heizeinrichtungen ausgestaltet sein. Es kann sich aber auch um die Elektrolyse-Kleinanlage, die Brennstoffzelle oder das BHKW des Verbrauchers handeln, so dass diese bei dem Verbraucher vorhandenen Komponenten des Versorgungssystems im Falle der Brennstoffzelle oder des BHKWs autark gestartet werden können oder im Falle der Elektrolyse-Kleinanlage autark betrieben werden können, ohne eine externe Energiezufuhr von außerhalb des Verbrauchers zu erfordern.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der rein schematischen Darstellungen nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigt
- 1 eine schematische Darstellung eines Verbrauchers und seiner Komponenten des Versorgungssystems, und
- 2 eine perspektivische Ansicht auf ein Versorgungssystem mit den dabei vorgesehenen zentralen Komponenten und unterschiedlich ausgestalteten Verbrauchern.
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In 1 ist ein Verbraucher 1 in Form eines privaten Wohngebäudes dargestellt. Auf dem Dach des Gebäudes weist der Verbraucher 1 eine Photovoltaikanlage 2 als Anlage zur dezentralen, lokalen Erzeugung elektrischer Energie aus regenerativen Energieträgern auf. Der Verbraucher 1 ist an ein Wasserstoffleitungsnetz 3 angeschlossen, welches aus einer Gasquelle in Form einer Elektrolyseanlage 4 gespeist wird. Die Elektrolyseanlage 4 wird aus einem Windkraftwerk, z.B. einem Windpark, einer Fotovoltaik-Großanlage und / oder ein Wasserkraftwerk mit regenerativ erzeugter elektrischer Energie über eine Stromleitung 5 versorgt, und weiterhin über eine Wasserleitung 6 mit Wasser, aus welchem in der Elektrolyseanlage 4 Wasserstoff erzeugt wird. Über Wasserstoffleitungen 7 des Wasserstoffleitungsnetzes 3 gelangt der zentral erzeugte Wasserstoff zu dem Verbraucher 1. Als Wasserstoff-Abnahmestellen sind dort eine Brennstoffzelle 8 und ein Spitzenlastkessel 9 vorhanden.
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Die Brennstoffzelle 8 gibt über eine Wärmeträgerleitung 10 Wärme an Wärme-Abnahmestellen des Verbrauchers 1 ab, beispielsweise zur Beheizung von Brauchwasser oder für eine Heizungsanlage zur Beheizung der Räume im Gebäude des Verbrauchers 1. Auch der Spitzenlastkessel 9 gibt über eine Wärmeträgerleitung 10 Wärme an eine oder mehrere Wärme-Abnahmestellen des Verbrauchers 1 ab, beispielsweise an dieselben Abnahmestellen, die zur Wärmeversorgung auch an die Brennstoffzelle 8 angeschlossen sind.
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Von der Photovoltaikanlage 2 verlaufen Stromleitungen 5 zu Elektro-Abnahmestellen des Verbrauchers 1, was durch den frei endenden Pfeil einer Stromleitung 5 symbolisiert ist. Weiterhin wird eine Elektrolyse-Kleinanlage 11, die über eine Wasserleitung 6 mit Wasser versorgt wird, über eine entsprechende Stromleitung 5 von der Photovoltaikanlage 2 mit elektrischer Energie versorgt, so dass auch beim Verbraucher 1 Wasserstoff erzeugt werden kann. Für den Fall, dass von der Photovoltaikanlage 2 nicht ausreichend elektrische Energie zum Betrieb der Elektrolyse-Kleinanlage 11 bereitgestellt werden kann, wird dies durch eine Stromleitung 5 ermöglicht, die von der Brennstoffzelle 8 zur Elektrolyse-Kleinanlage 11 verläuft. Diese Stromleitung 5 weist zudem einen Abzweig auf, der ebenfalls an Elektro-Abnahmestellen des Verbrauchers 1 angeschlossen sein kann.
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Der von der Elektrolyse-Kleinanlage 11 lokal beim Verbraucher 1 erzeugte Wasserstoff kann entweder lokal beim Verbraucher 1 selbst verbraucht werden, indem dieser Wasserstoff über eine Wasserstoffleitung 7 wahlweise zu der Brennstoffzelle 7 und / oder zu dem Spitzenlastkessel 9 geleitet werden kann. Alternativ kann jedoch auch überschlüssiger lokal erzeugter Wasserstoff über die Wasserstoffleitung 7 in das Wasserstoffleitungsnetz 3 eingespeist werden, so dass er anderen an das Wasserstoffleitungsnetz 3 angeschlossenen Verbrauchern zur Verfügung steht.
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Rein beispielhaft ist in 1 ein einziges Gebäude dargestellt, welches den Verbraucher 1 symbolisiert. Abweichend von dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann allerdings auch vorgesehen sein, dass beispielsweise 2 oder mehrere nachbarschaftliche Gebäude in Art einer Genossenschaft gemeinsam einen Verbraucher 1 des Versorgungssystems bilden, so dass bestimmte Komponenten des Versorgungssystems wie z.B. eine Elektrolyse-Kleinanlage 11 nicht notwendigerweise einem einzelnen Gebäude zugeordnet sein müssen, sondern vielmehr dem Verbraucher 1, der zwei oder mehrere Gebäude umfasst. Die Bezeichnung als Kleinanlage bedeutet daher nicht, dass die Elektrolyse-Kleinanlage 11 nur für die Versorgung eines einzelnen Gebäudes ausgelegt sein muss, sondern vielmehr, dass sie eine erheblich geringere Leistungsfähigkeit aufweist als die Elektrolyseanlage 4, die an zentraler Stelle als Gasquelle den Wasserstoff für das Wasserstoffleitung System 3 des Versorgungssystems erzeugt.
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2 zeigt ein Versorgungssystem 12, bei dem in einem 40-Fuß-ISO-Container 14 die Elektrolyseanlage 4 angeordnet ist. Eine Photovoltaik-Großanlage 15 versorgt über die Stromleitung 5 die Elektrolyseanlage mit elektrischer Energie. In das Wasserstoffleitungsnetz 3 mit seinen Wasserstoffleitungen 7 ist ein Wasserstoff-Großspeicher 16 eingebunden. Beim Betrieb der Elektrolyseanlage 4 anfallende Wärme wird über eine Wärmeträgerleitung 10 zu einem ersten Verbraucher 1 des Versorgungssystems 12 geführt und dient zu dessen Wärme-Grundlastversorgung. Aus Übersichtlichkeit ist nicht dargestellt, dass dieser erste Verbraucher 1 auch über eine Wasserstoffleitung an die Elektrolyseanlage 4 angeschlossen ist.
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Ein zweiter Verbraucher 1 ist ebenfalls an das Wasserstoffleitungsnetz 3 angeschlossen. Er weist eine Photovoltaikanlage 2 zur lokalen Erzeugung elektrischer Energie aus regenerativen Energien auf, und seine Elektrolyse-Kleinanlage 11 sowie seine Brennstoffzelle 8 sind über Wasserstoffleitungen 7 an das Wasserstoffleitungsnetz 3 angebunden. Dementsprechend kann beim Verbraucher 1 erzeugter Wasserstoff in das Wasserstoffleitungsnetz 3 eingespeist werden. Wärmeträgerleitungen 10 machen die Wärme, die in der Elektrolyse-Kleinanlage und in der Brennstoffzelle 8 anfällt, für entsprechende Wärme-Abnahmestellen des Verbrauchers 1 verfügbar. Stromleitungen 5 dienen einerseits zur Versorgung der Elektrolyse-Kleinanlage 11 durch die Photovoltaikanlage 2 und andererseits dazu, von der Brennstoffzelle 8 erzeugte elektrische Energie an Elektro-Abnahmestellen des Verbrauchers 1 zu liefern.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verbraucher
- 2
- Photovoltaikanlage
- 3
- Wasserstoffleitungsnetz
- 4
- Elektrolyseanlage
- 5
- Stromleitung
- 6
- Wasserleitung
- 7
- Wasserstoffleitung
- 8
- Brennstoffzelle
- 9
- Spitzenlastkessel
- 10
- Wärmeträgerleitung
- 11
- Elektrolyse-Kleinanlage
- 12
- Versorgungssystem
- 14
- ISO-Container
- 15
- Fotovoltaik-Großanlage
- 16
- Wasserstoff-Großspeicher
