-
Die Erfindung betrifft ein Energieversorgungssystem sowie eine Verwendung des Energieversorgungssystems und dessen Elemente.
-
In den vergangenen Jahrzehnten ist der Anteil von erneuerbaren Energien in der weltweiten Energiebilanz stetig gestiegen. Ein zentrales technisches Problem im Zusammenhang mit dem zunehmenden Einsatz der erneuerbaren Energien liegt in der Synchronisierung von Produktion und Bedarf und damit in der Effizienz von Speicherung, Transport und Verteilung. Eine bekannte Möglichkeit, erzeugte Energie zu speichern, liegt in der Umsetzung in Wasserstoff. Dies erlangt dort zunehmend an Bedeutung, wo die Primärenergiequellen zeitlichen Schwankungen unterliegen, wie bei der Solar- und Windenergie. Gleichzeitig werden aber auch Alternativen zum Erdgas und anderen Brennstoffen immer wichtiger, so dass auch hier der Wasserstoff eine zunehmende Bedeutung erlangt.
-
Der vorliegenden Patentanmeldung liegt das technische Problem zugrunde, die Nutzung von Sekundärenergiequellen zu optimieren und insbesondere ein gegenüber dem Stand der Technik effizienteres Energieversorgungssystem, ein Verfahren zum Aufbau sowie zum Betrieb dieses Energieversorgungssystems und Verwendungen des Energieversorgungssystem und deren Elemente zur Verfügung zu stellen. Das Energieversorgungssystem, die Verfahren, sowie die Verwendungen sind insbesondere im Zusammenhang mit der Nutzung erneuerbarer Energien als Primärquelle von Vorteil.
-
Das technische Problem wird gelöst mit einem Energieversorgungssystem umfassend eine modulare Kombination aus einer Wasserstoff-Erzeugungseinheit, einer Wasserstoff-Verwendungseinheit und einer Steuer- oder Regeleinheit zur Steuerung oder Regelung des Betriebs der Wasserstoff-Erzeugungseinheit und der Wasserstoff-Verwendungseinheit.
-
Grundgedanke der Erfindung ist es, ein modulares und universell einsetzbares Energieversorgungssystem zur Sekundarenergiespeicherung und/oder -nutzung zu schaffen, das insbesondere Anpassungen an den Bedarf bestimmter Branchen, Industrien oder anderer konkreter Bedarfe erlaubt, dabei für einen integrierten Aufbau ausgelegt sein kann und dann entsprechend gesteuert bzw. geregelt ist.
-
Die Kombination im Sinne der Erfindung bedeutet, dass die kombinierten Einheiten miteinander in Verbindung stehen, z.B. über Stoffaustauschleitungen zur Zufuhr oder Abfuhr von Fluiden oder Feststoffen, drahtgebundenen oder drahtlosen Datenverbindungen zum Informationsaustausch und/oder Energieübertragungsleitungen zur Übertragung von elektrischer und/oder thermischer Energie.
-
Das System ist modulartig aufgebaut. Die Einheiten oder Untereinheiten oder weitere zugefügte Bestandteile des Systems werden vorliegend als Module verstanden.
-
Soweit in der Anmeldung im Zusammenhang mit der Wasserstoff-Erzeugungseinheit bzw. mit der Wasserstoff-Verwendungseinheit der Singular verwendet wird, ist dies als Bezeichnung der Gattung zu verstehen, soweit sich nicht zwingend ein anderes Verständnis ergibt. So kann das System, wenn von „einer Einheit“ die Rede ist auch zwei oder mehr Wasserstoff-Erzeugungseinheiten bzw. zwei oder mehr Wasserstoff-Verwendungseinheiten aufweisen.
-
Die Wasserstoff-Erzeugungseinheit weist bevorzugt eine Elektrolyse-Vorrichtung auf, die unter Einsatz elektrischen Stromes, bevorzugt aus einer erneuerbaren Energiequelle, Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufspaltet. Die Elektrolyse-Vorrichtung kann mit unterschiedlichen Prinzipien arbeiten, z.B. unter Einsatz von lonenaustausch-Membranen, beispielsweise Anionenaustausch-Membranen (AEM), oder Protonen-Austausch-Membranen (PEM).
-
Die Elektrolyse-Vorrichtung weist mindestens einen Elektrolyseur, bevorzugt aber eine Vielzahl, z.B. mindestens 10, bevorzugt mindestens 50, weiter bevorzugt mindestens 100 oder mindestens 200 einzelne, jeweils für sich funktionsfähige Elektrolyseure auf. Beispielhaft kann das Elektrolyseur-System AEM Multicore0 von Enapter® eingesetzt werden. Es können auch unterschiedliche Elektrolyseure, die mit unterschiedlichen Prinzipien arbeiten, parallel eingesetzt werden.
-
Ein alternativer oder zusätzlicher Bestandteil der Wasserstoff-Erzeugungseinheit kann eine Plasmalyse-Vorrichtung sein, mit der unter Einsatz elektrischen Stromes, bevorzugt aus einer erneuerbaren Energiequelle, ein Plasma erzeugt wird, welches aus Wasser, insbesondere Abwasser oder diverse Abfallprodukte aufweisendem Wasser, unter anderem Wasserstoff erzeugt. Zusätzliche Produktstoffe, welche dabei entstehen können, wie z.B. Methan, CO2, oder N2, können weiteren Verwendungen zugeführt werden.
-
Das erfindungsgemäße System kann auch so ausgebildet sein, dass die Wasserstoff-Erzeugungseinheit unabhängig von einer Stromquelle betrieben werden kann. Hierfür kann als alternative Variante der Wasserstoff-Erzeugungseinheit eine Pyrolyse-Vorrichtung vorgesehen sein. Als weiteres Produkt kann dabei fester Kohlenstoff gewonnen werden. Die erforderliche Prozesswärme wird vorzugsweise aus erneuerbaren Energien erzeugt.
-
Ein weiterer alternativer oder zusätzlicher Bestandteil der Wasserstoff-Erzeugungseinheit kann eine Reformierungs-Vorrichtung sein, mit der unter Einsatz von Wärme aus einem fossilen Energieträger, insbesondere Methan und unter Zugabe von Wasser, Wasserstoff erzeugt wird. Als weiteres Produkt kann CO2 gewonnen werden, welches weiteren Verwendungen zugeführt werden kann. Die erforderliche Prozesswärme wird vorzugsweise aus erneuerbaren Energien erzeugt.
-
Die Wasserstoff-Erzeugungseinheit kann mit einer einzigen Art der vorgenannten Vorrichtungen, also entweder mit mindestens einer Elektrolyse-Vorrichtung oder mindestens einer Plasmalyse-Vorrichtung oder mindestens einer Pyrolyse-Vorrichtung oder mindestens einer Reformierungs-Vorrichtung betrieben werden. In der Wasserstoff-Erzeugungseinheit können aber auch verschiedene Arten der vorgenannten Vorrichtungen miteinander kombiniert eingesetzt werden, so dass eine Wasserstoff-Erzeugungseinheit z.B. sowohl mindestens eine Elektrolyse-Einheit als auch mindestens eine Plasmalyse-Vorrichtung umfasst. So kann die Anlage verschiedene Ausgangsstoffe als Wasserstoffquelle nutzen, z.B. gereinigtes Wasser für die Elektrolyse-Vorrichtung(en), Abwasser für die Plasmalyse-Vorrichtung(en), Methan für die Pyrolyse-Vorrichtung(en) und Methan und Wasser für die Reformierungs-Vorrichtung(en). Mittels der Steuer- oder Regeleinheit kann die Verteilung unterschiedlicher Ausgangsstoffe auf die jeweils passenden Wasserstoff-Erzeugungseinheiten gesteuert oder geregelt werden, zum Beispiel in Abhängigkeit von den zur Verfügung stehenden Mengen der Ausgangsstoffe, der Verfügbarkeit der jeweiligen Wasserstoff-Erzeugungseinheiten und/oder dem Bedarf von Wasserstoff-Verwendungseinheiten.
-
Die Wasserstoff-Erzeugungseinheit kann als eine lokal zusammenhängende Einheit vorgesehen werden. Es ist allerdings auch möglich, dass sich die Wasserstoff-Erzeugungseinheit aus mindestens zwei Wasserstoff-Erzeugungsuntereinheiten zusammensetzt, die räumlich voneinander beabstandet sind, wobei jede der Wasserstoff-Erzeugungsuntereinheiten allein eine bestimmte Art der vorgenannten Vorrichtungen oder eine Kombination hiervon aufweisen kann.
-
Das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem kann für jeden Ausgangsstoff, wie z.B. Wasser, Abwasser oder Methan, einen Ausgangsstoff-Speicher aufweisen, z.B. in Form eines oder mehrerer Tanks. Im erfindungsgemäßen System ist der Ausgangsstoff-Speicher mit der Wasserstoff-Erzeugungseinheit für die Zufuhr des Ausgangsstoffes verbunden oder verbindbar. Durch die Steuer- oder Regeleinheit kann die Zufuhr und Abfuhr automatisierbar gesteuert oder geregelt werden, z.B. über steuerbare oder regelbare Ventile.
-
Das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem kann so ausgebildet sein, dass als Wasserstoff-Verwendungseinheit ein Wasserstoffspeicher vorgesehen ist. Vorzugsweise ist der Wasserstoffspeicher ein Gasspeicher, vorzugsweise ein Niederdruckspeicher mit einem Maximaldruck des gespeicherten Wasserstoffs von bevorzugt 60 bar, weiter bevorzugt 50 bar. Eine Speicherung ist auch in einem Hochdruckgasspeicher denkbar. Der Wasserstoff kann auch verflüssigt und anschließend in flüssiger Form gespeichert werden.
-
Der Wasserstoffspeicher kann aber auch ein Feststoffspeicher, z.B. ein Metallhydrid-Speicher, ein adsorptiver Speicher und/oder ein chemischer Speicher unter Ausnutzung einer chemischen Bindung des Wasserstoffs an einen Trägerstoff sein. Ein solcher Trägerstoff kann z.B. Magnesium oder eine Magnesiumverbindung, Magnesia (Magnesiumcarbonat, Magnesiumoxid oder Mangandioxid), CO2 zur Bildung von Ameisensäure oder ein flüssiger organischer Trägerstoff (LOHC) sein.
-
Der Wasserstoffspeicher kann auf eine der vorgenannten Varianten beschränkt sein. Die vorbeschriebenen Varianten und auch weiter hier nicht aufgeführte Varianten für einen Wasserstoffspeicher können aber auch miteinander kombiniert eingesetzt werden, so dass eine Wasserstoff-Verwendungseinheit z.B. mindestens zwei verschiedene Wasserstoffspeichervarianten umfasst. Mittels der Steuer- oder Regeleinheit kann der von der Wasserstoff-Erzeugungseinheit erzeugte Wasserstoff je nach Bedarf unterschiedlichen Wasserstoffspeichern zugeführt werden.
-
Der Wasserstoffspeicher oder mindestens einer der Wasserstoffspeicher kann Teil einer Abgabeeinrichtung für Wasserstoff aufweisen, z.B. als Bestandteil einer Tankstelle, an der beispielsweise Fahrzeuge betankt werden können. Die Abgabeeinrichtung kann auch Teil einer Industrieanlage oder eines Wohn- oder Bürokomplexes oder einer sonstigen Liegenschaft sein oder mit anderen Verbrauchseinheiten, z.B. einem Blockheizkraftwerk, verbunden sein.
-
Erfindungsgemäß kann das Energieversorgungssystem als Wasserstoff-Verwendungseinheit eine H2 -Abgabeschnittstelle aufweisen, z.B. einen Anschluss für eine Pipeline oder für eine Verteilstelle für Wasserstoff.
-
Die Wasserstoff-Verwendungseinheit kann auch eine Energieerzeugungsvorrichtung zur Erzeugung thermischer und/oder elektrischer Energie sein. Bevorzugt umfasst die Energieerzeugungsvorrichtung mindestens eine Brennstoffzelle. Die Brennstoffzelle weist einen Anschluss zur Abnahme der erzeugten elektrische Energie auf. Mögliche Abnehmer für die elektrische Energie können z.B. elektrische Verbraucher oder eine oder mehrere Batterien sein.
-
Bevorzugt wird eine Vielzahl von Brennstoffzellen eingesetzt, die vorzugsweise parallel mit Wasserstoff versorgt werden und elektrisch parallel oder in Reihe geschaltet werden können. Mittels der Steuer- oder Regeleinheit kann die pro Zeiteinheit an die Brennstoffzelle gelieferte Wasserstoffmenge gesteuert bzw. geregelt werden. Bei einer Vielzahl von Brennstoffzellen kann des Weiteren die Art der elektrischen Verschaltung der Brennstoffzellen geregelt oder gesteuert werden, ob also eine bestimmte Anzahl von Brennstoffzellen parallel oder in Reihe geschaltet werden, z.B. in Abhängigkeit von der benötigten elektrischen Spannung oder Stromstärke.
-
Vorzugsweise wird die beim Betrieb der Brennstoffzelle(n) entstehende Wärme genutzt, z.B. indem die Wärme über geeignete feste oder fluide Wärmeleiter, vorzugsweise auch über einen oder mehrere Wärmetauscher, abgeführt und genutzt oder gespeichert wird.
-
Das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem kann insbesondere auch so ausgebildet sein, dass die Wasserstoff-Verwendungseinheit ein Blockheizkraftwerk ist. Im Blockheizkraftwerk wird der Wasserstoff zum Antrieb für eine Stromerzeugung eingesetzt, z.B. als Brennstoff eines Verbrennungsmotors, wobei gleichzeitig die entstehende Wärme, z.B. zu Heizzwecken oder zur Warmwasserbereitung, genutzt wird.
-
Die Wasserstoff-Verwendungseinheit kann auch eine Kraftmaschine sein, die mechanische Arbeit verrichtet, indem sie eine Energieform des Wasserstoffs, z. B. thermische, pneumatische oder chemische Energie, z.B. als Verbrennungsmotor, in Bewegungsenergie umsetzt. Auch hierbei kann überschüssige Wärme genutzt, z.B. abgeführt und genutzt oder gespeichert werden.
-
Erfindungsgemäß kann das Energieversorgungssystem auch so ausgebildet sein, dass mehrere Wasserstoff-Verwendungseinheiten parallel oder auch in Reihe in der Kombination vorgesehen sein können. So kann ein Wasserstoffspeicher zur Versorgung mit Wasserstoff an der Wasserstoff- Erzeugungseinheit angeschlossen sein und selbst als Versorger für eine Energieerzeugungsvorrichtung dienen, also zwischengeschaltet sein.
-
Des Weiteren können weitere funktionale Einheiten Bestandteil des Energieversorgungssystems sein, z.B. eine Trocknereinheit zur Trocknung des erzeugten Wasserstoffes, bevor dieser einer Verwendung, z.B. Speicherung oder einer chemischen Verwertung, zugeführt wird.
-
Soweit die Wasserstoff-Erzeugungseinheit auch mit elektrischer Energie, insbesondere aus erneuerbaren Energien, betrieben wird, kann es vorteilhaft sein, der Wasserstoff-Erzeugungseinheit einen Pufferspeicher, vorzugsweise eine beladbare Batterie, vorzuschalten. Auf diese Weise können Leistungsschwankungen auf Seiten der Energiequelle, z.B. einer Photovoltaik-Anlage oder einer Windkraft-Anlage ausgeglichen werden. Der Pufferspeicher ist bevorzugt zur Kommunikation mit der Steuer- oder Regeleinheit eingerichtet.
-
Das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem kann auch so ausgebildet sein, dass mindestens ein Aggregat zur unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV-Aggregat) vorgesehen ist. Ein zeitlich begrenzter Ausfall der Stromversorgung kann damit überbrückt werden. Im Falle einer eine definierte Zeitspanne überschreitenden Dauer des Stromausfalls kann mit dem USV-Aggregat ein von der Steuer- oder Regeleinheit kontrolliertes Herunterfahren des Systems gewährleistet werden. Ein USV-Aggregat kann auch an einer Schnittstelle vom erfindungsgemäßen System zu einem Verbraucher einer vom System angebotenen Stromversorgung, zum Beispiel einer Liegenschaft, vorgesehen werden. In diesem Fall schützt das USV-Aggregat den Verbraucher.
-
Bestandteile des Energieversorgungssystems, welche im Betrieb Wärme entwickeln, beispielsweise die Wasserstoff-Erzeugungseinheit(en), z.B. Elektrolyse-Einheit(en), oder die Wasserstoff-Verwendungseinheit(en), wie z.B. die Brennstoffzelle(n), können als Wärmequelle(n) für weitere Bestandteile des Systems dienen, z.B. für eine Adsorptionskältemaschine. Letztere kann z.B. zur Klimatisierung in Gebäudekomplexen dienen. Die Wärme kann auch in Wärmespeichern, z.B. Flüssigspeichern oder Feststoffspeichern, für spätere Verwendungen gespeichert werden. Ein Wärmespeicher kann ebenfalls als Modul im Energieversorgungssystem integriert werden. Vorzugsweise wird das System als Ganzes oder in Teilen adiabatisch betrieben.
-
Das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem kann zwar auch von außen mit Energie, beispielsweise Strom oder Wärme, versorgt werden. Jedoch kann es vorteilhaft sein, wenn das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem eine eigene Sekundärenergiequelle als modularen Bestandteil aufweist, die die erzeugte Sekundärenergie unmittelbar oder mittelbar der Wasserstoff-Erzeugungseinheit zuzuführt. Vorzugsweise handelt es sich bei der Sekundärenergiequelle um einen Stromerzeuger, beispielsweise eine Photovoltaikanlage, eine Windkraftanlage oder eine Wasserkraftanlage. Damit kann das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem für einen autarken Betrieb, das heißt, unabhängig von der Zufuhr außerhalb des Energieversorgungssystem erzeugter Sekundärenergie ausgelegt werden.
-
Die Steuer- oder Regeleinheit kann so eingerichtet sein, dass das System kontrolliert heruntergefahren wird, wenn vorgegebene Bedingungen erfüllt sind, z.B. wenn das öffentliche Netz ausfällt und ein Herunterfahren z.B. gemäß VDE 4105-AR 2018 erforderlich wird. Für das kontrollierte Herunterfahren kann die Steuer- und Regeleinheit derart eingerichtet sein, dass zumindest für einen vorgegebenen Zeitraum eine Notversorgung der Abnehmer gewährleistet ist und Prioritäten im Energiemanagement für Bestandteile des Systems bedarfsabhängig vorgesehen sind.
-
Des Weiteren kann die Steuer- oder Regeleinheit so eingerichtet sein, dass Änderungen des Energieversorgungssystem, insbesondere Erweiterungen oder Verkleinerungen, vorgenommen werden können, wobei die Steuer- oder Regeleinheit auch zur Steuerung oder Regelung eines zur Erweiterung in das System integrierten oder in Betrieb gesetzten Moduls einsetzbar ist und bei einer Verkleinerung durch Entfernen oder Inaktivieren eines Moduls die Steuerung oder Regelung für die verbleibenden Module ungestört bleibt oder bei Bedarf angepasst wird. Erweiterungen können z.B. durch zusätzliche Wasserstoff-Erzeugungseinheiten, wie z.B. Elektrolyse-Vorrichtungen, oder zusätzliche Wasserstoff-Verwendungseinheiten, wie z.B. Wasserstoffspeicher oder Brennstoffzellen, gegeben sein. Auf diese Weise ist das gesamte Energieversorgungssystem skalierbar.
-
Sämtliche Module oder eine Teilanzahl der Module des Energieversorgungssystem können vorzugsweise in einem Modulaggregat, weiter vorzugsweise mit einer Einhausung, räumlich zusammengefasst werden. Das Modulaggregat kann transportabel ausgestaltet werden. Das Modulaggregat und/oder die Module haben vorzugsweise Standardmaße, zum Beispiel Maße von Frachtcontainern, so dass eine Lieferung oder ein Ortswechsel eines vorzugsweise im Modulaggregat vorkonfektionierten Energieversorgungssystems möglich ist. Eine Standardisierung der Module und/oder des Modulaggregats erleichtert eine Anpassung, insbesondere eine Erweiterung des Energieversorgungssystems, an örtliche Gegebenheiten oder Änderungen an den Anforderungen an das Energieversorgungssystem.
-
Es wird ein Verfahren beschrieben. Die Steuer- oder Regeleinheit steuert oder regelt mit vorgegebenen Parametern die Wasserstoff-Erzeugungseinheit und die Wasserstoff-Verwendungseinheit in aufeinander abgestimmter Weise. Vorzugsweise berücksichtigt die Regel- und Steuereinheit auch Parameter weiterer Einheiten oder Randbedingungen, z.B. Daten der Sekundärenergiequelle, das Maß der Verfügbarkeit von Ausgangsstoffen für die Wasserstofferzeugung und/oder den Bedarf von an das Energieversorgungssystem angeschlossenen Verbrauchern.
-
Die Steuer- oder Regeleinheit ist vorzugsweise offen gestaltet für eine Erweiterung des Systems mittels weiterer Module. Das System kann somit modulartig aufgebaut und bei Bedarf in der Kapazität und/oder in den Anwendungen und Verwendungen erweitert oder reduziert werden. Eine Erweiterung kann z.B. durch Neuaufnahme eines Moduls oder (erneuter) Inbetriebnahme oder Aktivierung eines bereits angeschlossenen Moduls, z.B. einer zusätzlichen Sekundärquelle und/oder einer zusätzlichen Wasserstoff-Erzeugungseinheit, wie einer Brennstoffzelle und/oder eines Plasmalysators, und/oder einer zusätzlichen Wasserstoff-Verwendungseinheit, wie eines Wasserstoffspeichers, einer Brennstoffzelle und/oder eines Blockheizkraftwerks, oder einer Trocknereinheit, eines USV-Aggregats, einer Adsorptionskältemaschine oder beliebiger weiterer Zusatzmodule gegeben sein. Umgekehrt bedeutet eine Reduzierung das Herausnehmen eines Moduls aus dem Energieversorgungssystem oder das Inaktivieren eines physisch im Energieversorgungssystem verbleibenden Moduls.
-
Dabei kann vorgesehen sein, dass bei einer Erweiterung des Energieversorgungssystems durch Aufnahme oder Aktivierung eines Moduls dieses Modul in die abgestimmte Steuerung oder Regelung integriert wird und/oder bei Herausnahme oder Inaktivierung eines Moduls aus dem Betrieb die abgestimmte Steuerung oder Regelung der verbleibenden aktiven Module automatisiert angepasst wird. Muss zum Beispiel ein Wasserstoffspeicher aus dem Energieversorgungssystem entfernt werden, zum Beispiel zu Wartungs- oder Reparaturzwecken, kann als Reaktion auf die reduzierte Gesamtspeicherkapazität automatisiert die Aktivität der Wasserstoff-Erzeugungseinheit(en) reduziert und/oder der Verbrauch an einer anderen Wasserstoff-Verwendungseinheit erhöht werden.
-
Es wird auch ein Verfahren beschrieben, wonach zum Aufbau eines modularen Energieversorgungssystems folgende Schritte vorgesehen sind:
- a) Ermittlung einer möglichen Primärenergiequelle sowie eines Energiebedarfs und/oder eines Leistungsbedarfs,
- b) Auswahl einer für die ermittelte Primärenergiequelle und für den Energie- oder Leistungsbedarf geeigneten Sekundärenergiequelle,
- c) Zusammenstellung und Konfektionierung einer Wasserstoff-Erzeugungseinheit und einer Wasserstoff-Verwendungseinheit, und
- d) Bereitstellung und Einrichtung einer Steuer- oder Regeleinheit zur aufeinander abgestimmten Steuerung oder Regelung der Wasserstoff-Erzeugungseinheit und der Wasserstoff-Verwendungseinheit.
-
Auf diese Weise kann zum Beispiel ein oben dargestelltes erfindungsgemäßes Energieversorgungssystem unter umfassender Berücksichtigung der Bedarfe und Parameter gestaltet werden.
-
Als Primärenergiequellen werden bevorzugt erneuerbare Ressourcen eingesetzt, wie zum Beispiel Sonne, Wind, Wasser- und Gezeiten, Geothermie oder Biomasse.
-
Als Sekundärenergiequelle werden Vorrichtungen und Maßnahmen verstanden, die den aus Primärenergiequellen entnehmbare Energie in technisch nutzbare Energieformen, insbesondere Strom oder Wärme, umwandeln, vorzugsweise Photovoltaikanlagen, Windkrafträder, Wasser- und Gezeitenkraftwerke, geothermische Anlagen oder Anlagen zur Nutzung von Biomasse.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Aufbau eines modularen Energieversorgungssystems kann auch so ausgeführt werden, dass weitere Module in das Energieversorgungssystem integriert werden, wobei damit eine Integration in die Steuerung oder Regelung der Steuer- oder Regeleinheit eingeschlossen ist. Beispielhafte Module sind eine weitere Wasserstoff-Erzeugungseinheit, eine weitere Wasserstoff-Verwendungseinheit, eine Trocknereinheit für den erzeugten Wasserstoff, und/oder ein Ausgangsstoff-Speicher für einen Ausgangsstoff für die Wasserstofferzeugung, zum Beispiel Abwasser, Regenwasser und/oder Trinkwasser.
-
Eine erfindungsgemäße Verwendung des Energieversorgungssystems ist die Ausbildung einer lokalen Energieversorgung oder die Unterstützung einer lokalen Energieversorgung. Die Energieversorgung kann die Versorgung mit z.B. elektrischer Energie, thermischer Energie und/oder mit Wasserstoff als Brennstoff sein. Bevorzugt handelt es sich dabei um eine autarke, also von der Einspeisung externer Versorger unabhängige Energieversorgung.
-
Vorteilhaft kann die erfindungsgemäße Verwendung die Ausbildung einer Netzersatzanlage oder eines Notstromaggregats sein, womit die Versorgungssicherheit im Falle eines zeitweisen Ausfalls durch einen externen Energieversorgers gewährleistet werden kann.
-
Besonders bevorzugt ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Systems zur Lastspitzenkappung, auch Peak Shaving genannt. Mit der Lastspitzenkappung reduziert ein Verbraucher kurzfristig und schnell seinen Stromverbrauch, um keine unerwünschte Lastspitze zu verursachen. Um einen solchen Lastabwurf ohne eine mit unerwünschten Einschränkungen verbundene Drosselung des Verbrauchs realisieren zu können, kann das erfindungsgemäße System der externen Energielieferung zugeschaltet werden, z.B. durch Nutzung einer Wasserstoff-Verwendungseinheit und/oder eines im System vorhandenen Batteriemoduls.
-
Bevorzugt betrifft die erfindungsgemäße Verwendung die Energieversorgung einer Liegenschaft. Vorteilhaft kann auch die Einbindung des erfindungsgemäßen Systems in das Gebäudemanagement sein. Des Weiteren kann die erfindungsgemäße Verwendung vorteilhaft die Energieversorgung einer Ladestelle für batteriebetriebene Einheiten, z.B. Fahrzeuge, betreffen.
-
Bevorzugt kann die erfindungsgemäße Verwendung auch vorsehen, dass zumindest ein Anteil des mit dem System erzeugten Stroms in das öffentliche Netz eingespeist wird. Hierdurch kann eine Rückvergütung erreicht werden und ein Beitrag zur Stabilität des öffentlichen Netz geleistet werden.
-
Eine weitere erfindungsgemäße Verwendung des Systems zur Speicherung und Nutzung von Sekundärenergie ist die Abwassernutzung. Das Abwasser kann als Ausgangsstoff für die Wasserstoff-Erzeugungseinheit genutzt werden, z.B. nach einer Aufbereitung für die Elektrolyse oder ohne oder mit geringerer Aufbereitung für die Plasmalyse.
-
Im Folgenden sind beispielhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems, des Verfahrens zum Aufbau eines Energieversorgungssystems sowie des Betriebs eines Energieversorgungssystems und Verwendungen anhand von Figuren dargestellt.
-
Es zeigt
- 1: schematisch ein erstes modulares Energieversorgungssystem 1 und
- 2: schematisch ein kompaktes Modulaggregat aus Modulen eines zweiten Energieversorgungssystems mit einem daran angeschlossenen weiteren Modul einer Kältemaschine.
-
1 zeigt schematisch ein erstes modulares Energieversorgungssystem 1 mit einer Wasserstoff-Erzeugungseinheit 2 als ein erstes Modul, einer ersten Wasserstoff-Verwendungseinheit 3 als ein zweites Modul und einer Steuer- oder Regeleinheit 4 als drittes Modul, welche drahtlos (symbolisiert mit Antennenzeichen 5) mit der Wasserstoff-Erzeugungseinheit 2 und der Wasserstoff-Verwendungseinheit 3 verbunden ist. Alternativ ist auch eine Drahtverbindung möglich.
-
Für die Wasserstoff-Erzeugungseinheit 2 wird bevorzugt als Prozess die Elektrolyse eingesetzt. Alternative Verfahren, wie z.B. die Plasmalyse oder Pyrolyse, oder Kombinationen unterschiedlicher Prozesse sind ebenfalls denkbar. Es könne unterschiedliche Verfahren im selben Energieversorgungssystem eingesetzt werden. Im Falle der Elektrolyse kann eine hier nicht dargestellte Vielzahl von Elektrolyseuren eingesetzt werden, mit denen ein hoher Durchsatz erreicht werden kann, die es aber auch erlaubt, flexibel z.B. auf Bedarfsschwankungen zu reagieren und die Zahl der aktuell eingesetzten Elektrolyseure mittels der Regel- oder Steuereinheit 4 zu reduzieren oder zu erhöhen.
-
Für die Wasserstoff-Verwendungseinheit 3, welche von der Wasserstoff-Erzeugungseinheit 4 über eine Wasserstoffleitung 6 mit Wasserstoff versorgt werden kann, wird bevorzugt Brennstoffzellentechnik zur Erzeugung elektrischen Stroms eingesetzt, vorzugsweise in einer hier nicht dargestellten Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen. Die Anzahl der im Betrieb benötigten Brennstoffzellen kann variieren und kann über die Steuer- oder Regeleinheit 4 bestimmt werden, zum Beispiel in Abhängigkeit von der Menge des zur Verfügung stehenden Wasserstoffs oder des Bedarfs eines oder mehrerer Verbraucher.
-
Die Wasserstoff-Erzeugungseinheit 2 wird aus einer Sekundärenergiequelle 7, bei der es sich bevorzugt um eine Photovoltaik-Anlage, eine Windkraftanlage und/oder eine sonstige, regenerative Primärenergien nutzende Anlage handelt, mit der für die Wasserstofferzeugung notwendigen Energie, zum Beispiel mit elektrischem Strom, über eine erste Energiezufuhrleitung 8 versorgt. Die Sekundärenergiequelle 7 kann ein Modul des Energieversorgungssystems 1 oder extern angeordnet sein, z.B. im öffentlichen Netz. Das Energieversorgungssystem 1 kann alternativ oder zusätzlich auch aus nichtregenerative Primärenergien nutzenden Sekundärenergiequellen gespeist werden.
-
Der für die Wasserstofferzeugung notwendige Ausgangsstoff, z.B. Wasser, Trinkwasser, Regenwasser oder Abwasser, wird ggf. nach einer Aufbereitung, über eine Ausgangsstoffzufuhrleitung 9 aus einer z.B. als Speicher ausgeführten Ausgangsstoff-Quelle 10 der Wasserstoff-Erzeugungseinheit 2 zugeführt. Bevorzugt ist die Ausgangsstoff-Quelle 10 ebenfalls ein Modul des Energieversorgungssystems 1.
-
Bevorzugt kann als weiteres optionales Modul ein Pufferspeicher 11 für die von der Sekundärenergiequelle 7 gelieferte Energie vorgesehen werden, sodass Schwankungen in der Zulieferung der Energie zur Wasserstoff-Erzeugungseinheit 2 oder im Bedarf der Wasserstoff-Erzeugungseinheit 2 ausgeglichen werden können. Der Pufferspeicher 11 ist mit einer zweiten Energiezufuhrleitung 12 mit der Wasserstoff-Erzeugungseinheit 2 verbunden. Ist die zuzuführende Energie elektrischer Strom, kann der Pufferspeicher 11 ein Batteriespeicher sein.
-
Bevorzugt wird als zweite Wasserstoff-Verwendungseinheit ein Wasserstoffspeicher 13 eingesetzt, der von der Wasserstoff-Erzeugungseinheit 2 über eine H2-Speichereingangsleitung 14 mit Wasserstoff versorgt wird. Über eine H2-Speicherausgangsleitung 15 versorgt bei Bedarf der Wasserstoffspeicher 13 die erste Wasserstoff-Verwendungseinheit 3 mit Wasserstoff. Die Versorgung der ersten Wasserstoff-Verwendungseinheit 3 über den Wasserstoffspeicher 13 und/oder direkt von der Wasserstoff-Erzeugungseinheit 2 wird über die Steuer- oder Regeleinheit 4 bevorzugt in Abhängigkeit vom Bedarf der ersten Wasserstoff-Verwendungseinheit 3 und von der Auslastung der Wasserstoff-Erzeugungseinheit 2 gesteuert oder geregelt.
-
Mit dem Energieversorgungssystem 1 kann ein einzelner Verbraucher oder eine Vielzahl von Verbrauchern verschiedener Art versorgt werden. Symbolisch ist in 1 stellvertretend ein elektrischer Verbraucher 16 dargestellt, der über eine erste Stromleitung 17 von der ersten Wasserstoff-Verwendungseinheit 3 mit elektrischem Strom versorgt wird. Bei Bedarf kann der elektrische Verbraucher 16 alternativ oder zusätzlich direkt vom Pufferspeicher 11 über eine zweite Stromleitung 18 versorgt werden.
-
Vorzugsweise wird an der Wasserstoff-Erzeugungseinheit 2 und/oder an der ersten Wasserstoff-Verwendungseinheit 3 im Betrieb anfallende Wärme über Wärmeleitungen 19, bevorzugt über einen fluiden Wärmeträger, einem Wärmeverbraucher 20 zugeführt. Vorzugsweise kann die Abwärme alternativ oder zusätzlich zur Versorgung einer Kältemaschine 21, beispielsweise einer Adsorptionskältemaschine, zugeführt werden.
-
Weitere, in den Figuren nicht gezeigte Module können eingesetzt werden, wie z.B. eine Trocknereinheit zur Trocknung des erzeugten Wasserstoffes vor der Speicherung oder vor einer sonstigen Verwendung, insbesondere in einer Brennstoffzelle. Anstelle von Brennstoffzellen oder zusätzlich dazu kann ein Blockheizkraftwerk eingesetzt werden.
-
Zum Aufbau der Energieversorgungseinheit 1 wird zunächst die Verfügbarkeit einer Primärenergiequelle, wie z.B. Sonne, Wind, Wasserkraft, Geothermie und/oder Biomasse geprüft, und der Bedarf an durch das Energieversorgungssystem zu erzeugende Energie ermittelt. Hierfür wird eine geeignete Sekundärenergiequelle oder optional werden mindestens zwei Sekundärenergiequellen, von der im selben Energieversorgungssystem auch unterschiedliche Arten eingesetzt werden können, bestimmt. Bevorzugt darauf angepasst werden die Module ausgewählt und konfektioniert und die Steuer- und Regeleinheit geeignet eingerichtet, so dass im Betrieb die Module aufeinander abgestimmt gesteuert oder geregelt werden.
-
Die Module können vorteilhaft bereits beim Hersteller vorkonfektioniert und zusammengestellt und vorzugsweise auch bereits örtlich zueinander fixiert in Modulgehäusen angeordnet werden. Im Idealfall kann die Energieversorgungseinheit als Gesamtheit vorgefertigt geliefert oder am Ort der Lieferung wie in einem Baukastensystem zusammengesetzt werden.
-
2 zeigt schematisch ein Modulaggregat 22, welches zentrale Module eines zweiten beispielhaften Energieversorgungssystems aufweist, wobei Funktionseinheiten der Module selbst nicht sichtbar sind, sondern lediglich mehrere, zum Modulaggregat zusammengesetzte Modulgehäuse, in denen die Funktionseinheiten angeordnet sind. In einem ersten Modulgehäuse 23 ist eine hier nicht sichtbare Elektrolyse-Einheit und in einem zweiten Modulgehäuse 24 eine ebenfalls nicht sichtbare Energieerzeugungseinheit mit Brennstoffzellen eingehaust.
-
Ein drittes Modulgehäuse 25 weist bevorzugt Mittel zur Übertragung des von der Elektrolyse-Einheit erzeugten Wasserstoffes zu den im zweiten Modulgehäuse 24 befindlichen Brennstoffzellen auf. Bevorzugt ist im dritten Modulgehäuse 25 ein hier nicht sichtbarer Wasserstoffspeicher angeordnet.
-
Ein viertes Modulgehäuse 26 betrifft vorzugsweise die Stromzufuhr für die Elektrolyse-Einheit und weist bevorzugt einen hier nicht sichtbaren Pufferspeicher, z.B. in Form eines Batteriespeichers, auf. Das vierte Modulgehäuse kann aber auch ohne Pufferspeicher andere Gerätschaften, z.B. Mittel für einen Stromanschluss für die Elektrolyse-Einheit, aufweisen.
-
Vorteilhaft ist im Modulaggregat 22 auch eine in 2 nicht dargestellte Steuer- oder Regeleinheit angeordnet, z.B. im vierten Modulgehäuse 26. Jedes der Modulgehäuse 23 bis 26 kann mehrere Module des zweiten Energieversorgungssystems aufweisen.
-
Anschlüsse für die Zufuhr von Energie, insbesondere elektrischen Strom, und/oder von Ausgangsstoffen, insbesondere Wasser, können im Modulaggregat, vorzugsweise standardisiert in Ausführung und Anordnung, vorgesehen sein oder angebracht werden.
-
2 zeigt ein fünftes Modulgehäuse 27, welches eine hier nicht sichtbare Kältemaschine, vorzugsweise eine Adsorptionskältemaschine, umhaust. Die Kältemaschine wird für ihren Betrieb über Wärmeleitungen 28 mit der Abwärme sowohl der im zweiten Modulgehäuse 24 befindlichen Brennstoffzellen als auch der im ersten Modulgehäuse 23 befindlichen Elektrolyse-Einheit versorgt.
-
Das Modulaggregat kann auch durch ein einzelnes, sämtliche oder eine Teilanzahl der Module umhausendes Gehäuse realisiert sein.
-
Das Modulaggregat und/oder die Modulgehäuse haben vorzugsweise Standardmaße, zum Beispiel Maße von Frachtcontainern. Dies erleichtert neben dem Transport die Zusammensetzung des gesamten Energieversorgungssystems sowie dessen Erweiterung durch zusätzliche Module oder Modulaggregate.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Energieversorgungssystem
- 2
- Wasserstoff-Erzeugungseinheit
- 3
- erste Wasserstoff-Verwendungseinheit
- 4
- Steuer- oder Regeleinheit
- 5
- Antenne
- 6
- Wasserstoffleitung
- 7
- Sekundärenergiequelle
- 8
- Erste Energiezufuhrleitung
- 9
- Ausgangsstoffzufuhrleitung
- 10
- Ausgangsstoff-Quelle
- 11
- Pufferspeicher
- 12
- zweite Energiezufuhrleitung
- 13
- Wasserstoffspeicher
- 14
- H2-Speichereingangsleitung
- 15
- H2-Speicherausgangsleitung
- 16
- Elektrischer Verbraucher
- 17
- erste Stromleitung
- 18
- zweite Stromleitung
- 19
- Wärmeleitung
- 20
- Wärmeverbraucher
- 21
- Kältemaschine
- 22
- Modulaggregat
- 23
- erstes Modulgehäuse
- 24
- zweites Modulgehäuse
- 25
- drittes Modulgehäuse
- 26
- viertes Modulgehäuse
- 27
- fünftes Modulgehäuse
- 28
- Wärmeleitung
