DE202017006617U1 - Energieversorgungssystem unter Ausnutzung von Wasserstoff - Google Patents

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Abstract

Energieversorgungssystem (E), umfassend eine Einrichtung (1), welche mittels Sonnenenergie aus Wasser Wasserstoff erzeugt, einen Wasserstoffspeicher (5) zur Zwischenspeicherung des derart erzeugten Wasserstoffs sowie eine mit dem Wasserstoffspeicher (5) verbundene oder verbindbare Vorrichtung (6) zur Umwandlung des gespeicherten Wasserstoffs in Energie,
gekennzeichnet durch
eine Photovoltaikanlage (1) zur Erzeugung von Strom aus Sonnenenergie, einen Energiespeicher (2) zur Zwischenspeicherung des von der Photovoltaikanlage (1) erzeugten Stroms und durch
einen Elektrolyseur (3) zur Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser,
wobei die Photovoltaikanlage (1) mit dem Energiespeicher (2), der Energiespeicher (2) mit dem Elektrolyseur (3) und der Elektrolyseur (3) mit dem Wasserstoffspeicher (5) verbunden oder verbindbar ist und
wobei der Energiespeicher (2) und der Elektrolyseur (3) derart ausgelegt sind, dass die im Energiespeicher (2) bei entsprechender Sonneneinstrahlung tagsüber gespeicherte Energie ausreicht, um den Elektrolyseur (3) zwischen 12 h und 24 h unter Volllast zu betreiben.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Energieversorgungssystem gemäß den Merkmalen des Schutzanspruchs 1.
  • Dezentrale Energieversorgungssysteme haben die Aufgabe, Gebäude oder andere Objekte, die keinen Zugang zu einem öffentlichen Gas- oder Stromnetz haben, mit Energie zu versorgen.
  • Bekannte Hausenergieversorgungssysteme von Inselnetzen oder zur Notstromversorgung sind in der Regel motorgestützte Systeme, die aus einem Brennstoff mechanische Energie durch Verbrennung erzeugen und diese in elektrische Energie umwandeln. Da solche Energieversorgungssysteme von einer Brennstoffzufuhr abhängig sind, ist eine autonome Energieversorgung eingeschränkt oder gar nicht möglich.
  • Aus DE 10 2008 051 689 A1 ist ein Energieversorgungssystem bekannt, bei welchem unter Sonneneinstrahlung photochemisch Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff umgewandelt wird. Der erhaltende Wasserstoff wird in einem Wasserstoffspeicher gespeichert und im Bedarfsfall in einer Brennstoffzelle in elektrische und thermische Energie umgesetzt. Problematisch hierbei sind die zu berücksichtigenden Dimensionen des Wasserstoffspeichers und der Vorrichtung zur photochemischen Umsetzung von Wasser in Wasserstoff um einen effektiven Betrieb des Energieversorgungssystems über einen Zeitraum von 24 h, d. h. eines ganzen Tages inkl. Tages- und Nachtzeit zu gewährleisten.
  • Eine Schwierigkeit bei der Nutzung der Sonnenergie besteht darin, dass der Bedarf an Energie in dem zu versorgenden Gebäude in der Regel nicht mit dem Angebot der verfügbaren Sonnenstrahlung gedeckt werden kann.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein autarkes Energieversorgungssystem zur Verfügung zu stellen, mit dem eine zuverlässige, tageszeitunabhängige brennstoffunabhängige Energieversorgung gewährleistet wird.
  • Diese Aufgabe wird mit dem Energieversorgungssystem gemäß den Merkmalen des geltenden Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem geht aus von einer Einrichtung, welche mittels Sonnenenergie aus Wasser Wasserstoff erzeugt, einen Wasserstoffspeicher zur Zwischenspeicherung des derart erzeugten Wasserstoffs sowie eine mit dem Wasserstoffspeicher verbundene oder verbindbare Vorrichtung zur Umwandlung des gespeicherten Wasserstoffs in Energie. Erfindungsgemäß sind eine Photovoltaikanlage zur Erzeugung von Strom aus Sonnenenergie, ein Energiespeicher zur Zwischenspeicherung des von der Photovoltaikanlage erzeugten Stroms und ein Elektrolyseur zur Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser vorhanden, wobei die Photovoltaikanlage mit dem Energiespeicher, der Energiespeicher mit dem Elektrolyseur und der Elektrolyseur mit dem Wasserstoffspeicher verbunden oder verbindbar ist und wobei der Energiespeicher und der Elektrolyseur derart ausgelegt sind, dass bei entsprechender Sonneneinstrahlung die im Energiespeicher tagsüber gespeicherte Energie ausreicht, um den Elektrolyseur zwischen 12 h und 24 h unter Volllast zu betreiben.
  • Durch die erfindungsgemäße Auslegung des Energiespeichers und des Elektrolyseurs ist sichergestellt, dass das Energieversorgungssystem kompakt und kostengünstig aufgebaut werden kann.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung können die Photovoltaikanlage mit dem Energiespeicher und dem Elektrolyseur verbunden sein, so dass bei Betrieb der Photovoltaikanlage der Energiespeicher und der Elektrolyseur gleichzeitig mit Strom versorgt werden. Mit anderen Worten, tagsüber bei Sonneneinstrahlung versorgt die Photovoltaikanlage den Energiespeicher und den Elektrolyseur gleichzeitig mit Strom.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann ein Wärmespeicher vorhanden sein. Der Wärmespeicher dient dabei der Aufnahme der Abwärme des Elektrolyseurs sowie der Abwärme der Vorrichtung zur Umwandlung des gespeicherten Wasserstoffs in Energie. Der Wärmespeicher kann z. B. ein Wasserspeicher sein. Zweckmäßig kann eine Wärmepumpe vorhanden sein, welche die in dem Wärmespeicher gespeicherte Wärme einem oder mehreren Verbrauchern zuführt. Bei den Verbrauchern kann es sich z. B. um das Brauchwasser- oder Heizungsnetz einer Gebäudeanlage handeln. Dadurch wird der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems verbessert.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann die Photovoltaikanlage zusätzlich mit der Wärmepumpe verbunden sein. Dadurch ist es möglich, dass bei Betrieb der Photovoltaikanlage zusätzlich die Wärmepumpe mit Strom versorgt werden kann.
  • Es ist somit möglich, ein Energieversorgungssystem anzugeben, bei welchem die Photovoltaikanlage mit dem Energiespeicher, dem Elektrolyseur und der Wärmepumpe verbunden ist, so dass bei Betrieb der Photovoltaikanlage der Energiespeicher, der Elektrolyseur und die Wärmepumpe gleichzeitig mit Strom versorgt werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann ein Kompressor vorhanden sein zur Komprimierung des vom Elektrolyseur erzeugten Wasserstoffs. Dadurch kann sichergestellt werden, dass der vom Elektrolyseur erzeugte Wasserstoff unter einem maximal möglichen Druck dem Wasserstoffspeicher zugeführt werden kann. Der Kompressor kann zweckmäßig derart ausgelegt sein, dass der vom Kompressor erzielbare maximale Ausgangsdruck dem zulässigen Maximaldruck des Wasserstoffspeichers entspricht. Mit größerem zulässigen Maximaldruck des Wasserstoffspeichers und somit größerem Ausgangsdrucks des Elektrolyseurs kann die Größe des Wasserstoffspeichers bei konstanter Füllmenge reduziert werden. Dadurch kann das System kompakter aufgebaut werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Vorrichtung zur Umwandlung von Wasserstoff in Energie eine Brennstoffzelle sein. Es ist aber alternativ oder zusätzlich möglich, dass die Vorrichtung zur Umwandlung von Wasserstoff in Energie eine Vorrichtung zur Kraft-Wärme-Erzeugung ist. Damit kann mit dem erfindungsgemäßen System aus dem gespeicherten Wasserstoff Strom und/oder Wärme erzeugt werden und dadurch ein Energieversorgungssystem geschaffen werden.
  • Die Erfindung wird im Weiteren anhand einer Figur näher erläutert.
  • Die Figur zeigt das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem E, das aus einer Photovoltaikanlage 1, einem Energiespeicher 2 zur Speicherung von Strom, einem Elektrolyseur 3 zur Erzeugung von Wasserstoff, einem Verdichter 4, einem Wasserstoffspeicher 5 und einer Vorrichtung 6 zur Umwandlung des gespeicherten Wasserstoffs in Energie. Die Vorrichtung 6 ist hierbei beispielhaft eine Kombination aus einer Brennstoffzelle und einer Anlage zur Kraft-Wärme-Kopplung. Ferner west das Energieversorgungssystem E einen Wärmespeicher 7 sowie eine Wärmepumpe 8 auf.
  • In einer Photovoltaikanlage 1 wird durch Sonnenenergie Strom erzeugt. Dieser Strom wird über eine Stromleitung S1 einem Energiespeicher 2 zugeführt und in dem Energiespeicher 2 gespeichert. Bei Bedarf, z. B. bei fehlender Sonneneinstrahlung, z. B. nachts oder tagsüber bei wolkenbedecktem Himmel wird der im Energiespeicher 2 gespeicherte Strom über eine Stromleitung S3 einem Elektrolyseur 3 zugeführt. In dem Elektrolyseur 3 wird mittels des Stroms Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Zusätzlich ist die Photovoltaikanlage 1 über eine Stromleitung S4 direkt mit dem Elektrolyseur 3 verbunden, so dass der Elektrolyseur 3 direkt mit dem Strom der Photovoltaikanlage 1 betrieben werden kann, z. B. wenn die maximale Ladekapazität des Energiespeichers 2 erreicht ist.
  • Der Elektrolyseur 3 ist über eine Wasserstoffleitung H1 mit dem Kompressor 4 verbunden. Der Verdichter 4 ist beispielhaft über eine Stromleitung S2 mit dem Energiespeicher 2 und über eine Stromleitung S5 mit der Photovoltaikanlage 1 verbunden. Selbstverständlich kann der Verdichter 4 auch nur über eine der beiden in der Fig. gezeigten Stromleitungen S2, S5 mit einer elektrischen Energiequelle 1, 2 verbunden sein.
  • Der Verdichter 4 ist über eine Wasserstoffleitung H2 mit einem Wasserstoffspeicher 5 verbunden. Der Wasserstoffspeicher 5 ist beispielhaft zusätzlich über eine Wasserstoffleitung H4 mit dem Elektrolyseur 3 verbunden. So ist es möglich, bei nahezu entleertem Wasserstoffspeicher 5, den Wasserstoffspeicher 5 ohne Nutzung des Verdichter 4 zu befüllen. Der Ausgangsdruck des Elektrolyseurs 3 beträgt üblicherweise bis zu 30 bar. Somit ist es möglich, den Wasserstofftank 5 bis zu einem Druck, der dem Ausgangsdruck des Elektrolyseurs 3 entspricht, zu befüllen. Hierdurch wird eine effekive Nutzung der zur Verfügung stehenden Energie ermöglicht.
  • Der Wasserstoffspeicher 5 ist über eine Wasserstoffleitung H3 mit der Vorrichtung 6 zur Umwandlung des gespeicherten Wasserstoffs in Energie verbunden. Diese Vorrichtung 6 ist beispielhaft eine Kombination aus einer Brennstoffzelle 6a und einer Anlage zur Kraft-Wärme-Kopplung 6b. Die Vorrichtung 6 ist beispielhaft zusätzlich über eine Wasserstoffleitung H5 mit dem Elektrolyseur 3 verbunden. Dadurch ist es möglich, dass der vom Elektrolyseur 3 erzeugte Wasserstoff direkt in der Vorrichtung 6 in nutzbare Energie, z. B. Strom und/oder Wärme umgesetzt wird.
  • Das Energieversorgungssystem E kann, wie in Fig. gezeigt, einen Wärmespeicher 7 aufweisen, welcher über Wärmeleitungen W1, W2 mit dem Elektrolyseur 3 und der Brennstoffzelle 6a verbunden ist. Der Wärmespeicher 7 ist dabei dafür ausgelegt, die Abwärme des Elektrolyseurs 3 sowie der Brennstoffzelle 6a zu speichern. Dadurch können Wärmeverluste zusätzlich genutzt werden. Dies erfolgt über eine mit dem Wärmespeicher 7 verbundene Wärmepumpe 8. Die Wärmepumpe 8 ist dabei derart ausgelegt, die im Wärmespeicher 7 gespeicherte Wärme einem Verbraucher 9, z. B. einem Brauchwasser- oder Heizungsnetz zuzuführen. Die Wärmepumpe 8 ist dabei über eine Stromleitung 56 mit der Photovoltaikanlage 1 verbunden.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Energieversorgungssystem E ist es somit möglich, dass im Sommer, bei hoher Sonneneinstrahlung, tagsüber die Photovoltaikanlage 1 den Energiespeicher 2 und den Elektrolyseur 3 mit Strom versorgt. Der vom Elektrolyseur 3 erzeugte Wasserstoff wird in einem Wasserstoffspeicher 5 gespeichert. Nachts, bei fehlender Sonneneinstrahlung, wird der Elektrolyseur 3 vom Energiespeicher 2 mit Strom gespeist. Der vom Elektrolyseur 3 erzeugte Wasserstoff kann im Wasserstoffspeicher 5 gespeichert werden. Dadurch ist es möglich, dass der Elektrolyseur 3 für einen Zeitraum von bis zu 24 h unter Volllast zur Erzeugung von Wasserstoff betrieben werden kann. Der im Energiespeicher 2 gespeicherte Strom ist hierbei ausreichend, um den am Ausgang A der Vorrichtung 6 geforderten Strombedarf zu decken.
  • Im Winter, bei geringer Sonneneinstrahlung, wird der am Ausgang A der Vorrichtung 6 geforderten Strombedarf dadurch gewährleistet, dass der im Wasserstoffspeicher 5 gespeicherte Wasserstoff der Vorrichtung 6 zur Umwandlung des Wasserstoffs in elektrische und/oder thermische Energie zugeführt wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Photovoltaikanlage
    2
    Energiespeicher
    3
    Elektrolyseur
    4
    Verdichter
    5
    Wasserstoffspeicher
    6
    Vorrichtung zur Umwandlung Wasserstoff in Energie
    6a
    Brennstoffzelle
    6b
    Anlage zur Kraft-Wärme-Kopplung
    7
    Wärmespeicher
    8
    Wärmepumpe
    9
    Verbraucher
    S1...6
    Stromleitung
    H1...5
    Wasserstoffleitung
    W1...2
    Wärmeleitung
    A
    Ausgang
    E
    Energieversorgungssystem
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102008051689 A1 [0004]

Claims (8)

  1. Energieversorgungssystem (E), umfassend eine Einrichtung (1), welche mittels Sonnenenergie aus Wasser Wasserstoff erzeugt, einen Wasserstoffspeicher (5) zur Zwischenspeicherung des derart erzeugten Wasserstoffs sowie eine mit dem Wasserstoffspeicher (5) verbundene oder verbindbare Vorrichtung (6) zur Umwandlung des gespeicherten Wasserstoffs in Energie, gekennzeichnet durch eine Photovoltaikanlage (1) zur Erzeugung von Strom aus Sonnenenergie, einen Energiespeicher (2) zur Zwischenspeicherung des von der Photovoltaikanlage (1) erzeugten Stroms und durch einen Elektrolyseur (3) zur Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser, wobei die Photovoltaikanlage (1) mit dem Energiespeicher (2), der Energiespeicher (2) mit dem Elektrolyseur (3) und der Elektrolyseur (3) mit dem Wasserstoffspeicher (5) verbunden oder verbindbar ist und wobei der Energiespeicher (2) und der Elektrolyseur (3) derart ausgelegt sind, dass die im Energiespeicher (2) bei entsprechender Sonneneinstrahlung tagsüber gespeicherte Energie ausreicht, um den Elektrolyseur (3) zwischen 12 h und 24 h unter Volllast zu betreiben.
  2. Energieversorgungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Photovoltaikanlage (1) mit dem Energiespeicher (2) und dem Elektrolyseur (3) verbunden ist, so dass bei Betrieb der Photovoltaikanlage (1) der Energiespeicher (2) und der Elektrolyseur (3) gleichzeitig mit Strom versorgt werden.
  3. Energieversorgungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmespeicher (7) vorhanden ist zur Aufnahme der Abwärme des Elektrolyseurs (3) sowie der Abwärme der Vorrichtung (6) zur Umwandlung des gespeicherten Wasserstoffs in Energie.
  4. Energieversorgungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmepumpe (8) vorhanden ist, welche die in dem Wärmespeicher (7) gespeicherte Wärme einem oder mehreren Verbrauchern (9) zuführt.
  5. Energieversorgungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Photovoltaikanlage (1) zusätzlich mit der Wärmepumpe (8) verbunden ist, so dass bei Betrieb der Photovoltaikanlage (1) die Wärmepumpe (8) zusätzlich mit Strom versorgt wird.
  6. Energieversorgungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verdichter (4) vorhanden ist zur Komprimierung des vom Elektrolyseur (3) erzeugten Wasserstoffs.
  7. Energieversorgungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (6) zur Umwandlung von Wasserstoff in Energie eine Brennstoffzelle ist.
  8. Energieversorgungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (6) zur Umwandlung von Wasserstoff in Energie eine Vorrichtung zur Kraft-Wärme-Erzeugung ist.
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