DE3413772A1

DE3413772A1 - Einrichtung zur energieversorgung von gebaeuden unter nutzung der sonnenergie als energiequelle

Info

Publication number: DE3413772A1
Application number: DE19843413772
Authority: DE
Inventors: Siegfried Gutfleisch; Joachim 7457 Bisingen Scheffler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-04-12
Filing date: 1984-04-12
Publication date: 1985-10-24

Description

B e s c h r e i b u n g Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Energieversorgung unter Nutzung der Sonnenenergie als Energiequelle.
Gegen Ende dieses Jahrhunderts werden fast 6 Milliarden Menschen die Erde bevölkern. Die Industrlalisierung, vor allein die der dritten Welt, nimmt zu, und damit steigt der Energiebedarf. Dabei muß berücksichtigt werden, daß die Erdöl vorräte noch ca. 30 Jahre, Erdgasvorräte 50 Jahre und der Kohlevorrat der Erde etwa 200 Jahre ausreichen wird. Mit der Energiegewinnung aus fossilen Brennstoffen ist eine immense Umweltbelastung verbunden.
Die Energiewlrtschaft hat deshalb in den vergangenen Jahrzehnten große Ansrengungen unternommen, um alternative Energiegewinnmöglichkeiten, ohne eine Belastung der Umwelt bei deren Nutzung, zu erforschen. Eine alternative Energiegewinnung ist die Atomenergle, die durch das an ihr haftende Cicherheitsrisiko in Fachkreisen und in weiten Bevölkerungskreisen stark umstritten ist.
Die sogenannte Solartechnologie stellt zur Zeit die "umweltfreundlichste" Energiegewinn-Technologie dar. Die Solarzellen bestehen aus Halblelter-Fotoelementen, z.B. aus einem dünnen Silizium-Ein-Kristall mit p- und n-leitenden Zonen, mit dem durch Ausnützung des inneren Fotoeffekts Sonnenstrahlungsenergie bei relativ hohem Wirkungsgrad (bis zu 20Z) direkt in elektrische Energie umgewandelt wird. Diese Solartechnologie zur Stromerzeugung hat eine breite Anwendung, z.B. zur Stromerzeugung in Taschenrechnern, Uhren od.dgl. gefunden.
Eine weitere Ausnutzung der Sonnenenergie besteht in der Umwandlung der Sonnenstrahlungsenergie in Wärme, wobei dann mit Hilfe von Wärmepumpensystemen diese erzeugte Wärme zu Heizzwecken in Gebäuden verwendet wird.
Da die Sonneneinstrahlung in unseren Breitenkreisen, im Jahres-und Tagesdurchschnitt gesehen, sehr unbeständig ist, sind die bisher eingesetzten Energiegewinnanlagen aus Sonnenenergie immer nur unterstützende Maßnahmen zur bereits vorhandenen sogenannten klassischen "Energiegewinnungsmethoden". Dieses klassische Energieerzeugungskonzept der Energieversorgungsunternehmen (EVU) besteht auch darin, in immer größer werdenden Energiegewinnzentren möglichst viel Energie zu erzeugen und diese dann, oftmals sehr verlustreich, zum Endverbraucher zu transportieren.
Dieses Konzept steht einer größflächlgen Anwendung der Solartechnologie entgegen, da zur Erzeugung solch großer Energiemengen in einzelnen Zentren mittels der Solartechnologie eine großflächige Bestückung der Oberfle:che mit Solarzellen benötigt würde und in unseren stark bebauten Breiten dadurch sehr schnell an natürliche Grenzen stoßen würde.
Weiterhin stellt die Solartechnologie für einen Endverbraucher, der auch gleichzeitig Selbstversorger ist (d.h. das Dach des Gebäudes ist mit Solarzellen bestückt), eine an sich unökonomische Energiequelle dar, da bei geringer Sonnenletstung die benötigte Energie irgendwo hergenommen werden muß und bei sehr intensiver Sonnenstrahlung die Oberschußenergie nicht verwendet werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist, hier Abhilfe zu schaffen und eine Einrichtung zur Energiegewinnung aus Sonnenenergie zu schaffen, die es ermöglicht, über den ganzen Tag gesehen, unabhängig von der jeweils momentan herrschenden Sonnenintensität, Energie zur Verfügung zu stellen.
Die Aufgabe wird bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 bzw.
14 angegebenen Merkmale gelöst.
Das Grundprinzip der erfindungsgemäßen Einrichtung ist derart, daß die Sonnenenergie in eine direkt beim Endverbraucher speicherbare Energie umgewandelt wird.
Die Einrichtung kann nun weitere vorteilhafte Vorrichtungen zur Nutzung der Sonnenenergie enthalten. In einer Gleichstromgeneratorvorrichtung bzw. in einer elektronischen Transformationsanlage etc., kann der Gleichstrom in Wechselstrom umgewandelt werden. Die gebräuchlichen Haushaltsgeräte wie Herde, KUchengeräte, Waschmaschinen, Kühlschränke etc.
werden alle mit Wechselstrom betrieben. Die Gleichstromgeneratorvorrichtung (ggf. andere Umwandlungsverfahren) erzeugt also direkt im Hause, d.h. ohne Transportverluste, die benötigte Wechselstrommenge.
Weiterhin kann besonders vorteilhaft sein, In einer Gasturbi nen-Generatorvorri chtung die gespeicherten Energieträger Wasserstoff und Sauerstoff in Wärme und Wechselstrom umzuwandeln. Das bedeutet, die im Laufe des Tages anfallende überschüssige Strommenge, die nicht im Moment benötigt wird, wird in die reversiblen speicherbaren Energieträger Wasserstoff und. Sauerstoff umgewandelt, die dann anschließend in Tageszeiten geringer Sonnenintensität oder auch bei Nacht wieder in elektrische Energie und Wärme umgewandelt werden können.
Weiterhin kann ein gewisser Teil der Energie in Gleichstrom-Kurzzeitspeichervorrichtungen (z.B. Salzspeicher) gespeichert werden, um in den Obergangszeiten die Gleichstrom/Wechsel stromumwandlungsanlage mit Energie zu versorgen. Das bestehende Wechselstromnetz soll weiterhin bestehen bleiben, d.h. bestehende Infrastruktur kann voll und ganz in dieses neue Energiekonzept integriert werden, wobei jedoch dies nur bei extrem un günstigen Witterungsbedingungen sowie ggf. für den Kleinstrombedarf (Beleuchtung etc.) in Anspruch genommen wird, die Hauptmenge jedoch "vor Ort" erzeugt wird.
Der In der Gleichstrom/Wasser-Elektrolysevorrichtung erzeugte Wasserstoff und Sauerstoff kann über einen Verdichter in z.B.
kugelförmigen Tanks unter Druck gelagert werden. Der bei der Elektrolyse entstehende Sauerstoff kann jedoch auch zu anderen Zwecken, wie z.B. Luftaufbesserung in der häuslichen Klimaanlage oder Verbesserung des Wassers durch Sauerstoffbelebung, etc., verwendet werden, Wird nur Wasserstoff gespeichert, so wird dieser bei der reversiblen Umwandlung nicht mit dem gleichzeitig entstandenen Sauerstoff, sondern direkt mit Luft zu Wasser verbrannt. Bei der Verbrennung von reinem Wasserstoff und Sauerstoff entsteht als Abfallprodukt nur Wasser. Bei einer erfindungsgemäßen Einrichtung besteht keine Umweltbelastung bei der Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff bzw. bei deren reversiblen Rückumwandlung.
Wird dagegen nur Wasserstoff gespeichert und dieser dann bei dem reversiblen Rückgewinnungsprozeß mit Luft verbrannt, so besteht die Gefahr der Stickoxidbildung. Durch geeignete Betriebsbedingungen der Verbrennungsturbine tinen diese Werte jedoch sehr gering gehalten werden.
Die speicherbare Wasserstoffmenge kann nun derart begrenzt werden, daß der Druck in dem Speicher durch den Verdichter bis zu einem gewissen Grenzwert aufgebaut wird und nach Oberschreiten dieses Grenzwertes durch ein Ventil der überschüssige Wasserstoff in ein öffentliches Wasserstoffversorgungsnetz abgegeben werden kann. Das bedeutet, daß wiederum unter Ausnutzung der bereits vorhandenen Infrastruktur des Gasversorgungsnetzes dieses in ein Wasserstoff- und/oder Sauerstoff-Versorgungsnetz umgewandelt wird, so daß die über einen gewissen Grenzwert überschüssig produzierte Wasserstoff- und/oder Sauerstoffmenge in das öffentliche Netz abgegeben und bei besonders ungünstigen Witterungsverhältnissen wiederum ein Teil aus diesem öffentlichen Netz entnommen werden kann.
Die Lagerkapazität des Wasserstoffs bzw. des Dauerstoffs kann wahlweise dadurch erhöht werden, daß diese Gase zur Speicherung verflüssigt werden. Die dabei entstandene Wärmeenergie des Verdichters kann nun ebenfalls in einem hausinternen Wärme-Recycling-System dem Warmwasser bzw. Heizungssystem zugeführt werden.
Die in den Solarzellen entstehende Wärmeenergie (Sonnenkollektorenprlnzip) kann durch eine Kühl flüssigkeit abgeführt und über ein Wärmnepumpensystem ebenfalls dem Warmwasser- und Heizungssystem zugeführt werden.
Die Wärmeenergie, die in der Gasturbinengenerator-Vorrichtung entsteht, In der Wasserstoff und/oder Sauerstoff in Wärme und Wechselstrom umgewandelt werden, kann besonders vorteilhaft in das Warmwasser- und Heizungssystem eingebracht werden.
Die erfindungsgemäße einrichtung arbeitet also mit dem Prinzip: Verlagerung der Energieerzeugung und Energiespeicherung von großen Energlezentren in jedes einzelne Gebäude als sogenannte HEnergiegewinnungshäuser" bzw. "Energiegewinnindustrieanlagen", wobei jedoch großenteils bereits vorhandene Infrastruktur (Stromnetz, Gasnetz) ebenfalls in Anspruch genommen wird.
Dieses Energiegewinnhaus ist im Prinzip auch auf größere Gebäudeeinhelten übertragbar. In besonders energieverbrauchenden Gebäuden, wie z.B. Industrieanlagen, kann die "vor Ort" erzeugte Energie nicht ausreichen, so daß zusätzlich separate Energieerzeugungsstellen, d.h. die klassischen Kraftwerke, vonnöten sind, die aber ebenfalls Sonnenenergie als Primärenergie zur Stromerzeugung ausnutzen und einen gewissen Teil dieser Energie In die speicherbaren Energieträger Wasserstoff und Sauerstoff umwandeln und diese dann über ein überregionales Wasserstoff- und/oder Sauerstoff-Versorgungsnetz den einzelnen Endverbrauchern zuführen können. Da aber die benötigte energiemenge aus diesen Kraftwerken, insgesamt bestehen, wesentlich geringer ist, weil ein Großteil der Energie direkt in den Endverbraucherstellen (Energiegewinnhäusern) produziert wird, ist die benötigte Fläche für die Solarzellen nicht so groß, daß sie an die Grenze der in unseren Breitengraden zur Verfügung stehenden Freiflächen stoßen würde. Besonders vorteilhaft können die Solarzellen an bereits fest überbauten Flächen installiert werden, so daß keine bisher als Grünflächen oder Nutzflächen zur Verfügung stehende Gebiete benützt werden müssen. Solche schon überbaute Flächen können z.B. die Bundesautobahnen oder Kraftfahrzeugabstellplätze etc. sein. Besonders vorteilhaft wird durch die Autobahnüberdachung direkt an einer Stelle sehr hohen Energieverbrauchs umweltfreundlich und kostengünstig Energie erzeugt. Das bedeutet: Die Stromenergie kann nun z.B. Elektrobussen direkt zugeführt werden, und die überschüssige Energie an Wasserstoff- und/oder Sauerstofferzeugungsstellen abgegeben werden. Bei der Umstellung von Kraftfahrzeugen auf Wasserstoff als Brennstoff kann dadurch kostengünstig in der Nähe der Verbrauchsstelle der Betriebsstoff Wasserstoff erzeugt und an Tankstellen zur Verfügung gestellt werden. Der Wasserstoff und/oder Sauerstoff kann hier ebenfalls gasförmig unter Druck oder in flüssiger Form zur Verfügung stehen.
Die Oberdachung kann auch auf Schiffen angebracht sein, die dadurch einen wesentlichen Teil ihres Eigenenergiebedarfs decken.
Das Energiegewinnprinzip einer erfindungsgemäßen Einrichtung in einem *Energiegewinnhausu kann jederzeit auch auf großtechnische Anlagen übertragen werden, wobei im Prinzip nur eine gewisse Verlagerung des Verhältnisses Energieproduktion und Speicherkapazität bzw. Eigenverbrauch und Abgabe in ein Netz variieren.
Die Erfindung wird anhand einiger ausgewählter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 einen schematischen Schnitt eines Energiegewinnhalises, Figur 2 ein Blockschaltbild eines Energieraumes in einem Energiegewinnhaus, Figur 3 ein schematisches Diagramm der Abhängigkeft der Solarzellenleistung von der Tageszeit, Figur 4 ein Blockschaltbild einer H2-Gewinnungsanlage, Figur 5 ein Blockschaltbild einer Heizungsanlage, Figur 6 in schematischer Darstellung einen Solarverkehrsweg mit H2-Erzeugung und H2-Tankstelle, Figur 7 ein Blockschaltbild einer neugestalteten Energieversorgung.
Fig. 1 zelgt ein Energiegewinnhaus 1, dessen Dach 2 vollständig mit Solarzellen 3 bestückt ist. Energiegewinnhäuser sind Gebäude, vorzugsweise Ein- oder kleine Mehrfamilienhäuser, die mit Einrichtungen versehen sind, die zur Erzeugung zumindest eines Teils des Energie-Eigenbedarfs dienen. Un+eralb der Solarzellen 3 können Doppelfolien 4, z.B. acs aufgeblasenem Aluminium mit darin zirkulierender Flüssigkeit (Wärmeleitmedium), montlert werden (Prinzip Cr Sr.nnenkollektoren). Der Wirkungsgrad der Solarzellen 3 wird durch Abführung der Wärme bei extremer Sonnenstrahlung erhöht. Eine Temperaturabsenkung um ca. 15"C ergibt einen 1 % höheren Wirkungsgrad. Die so anfallende Wärmemenge kann zur Brauchwassererwärmung oder zu Heizzwecken verwendet werden. Das Dach 2 und Außenwände 5 des Hauses sind mit Dämmstoff 6 zur Wärmedämmung ausgestattet.
Die Hauswände 5 und eventuell vorhandene Nebenbauten, wie z.B.
Garagen, können ebenfalls teilweise oder vollständig mit Solarzellen 3 bestückt sein. Der Wirkungsgrad der Solarzellen 3 kann durch Sonnennachführung wesentlich erhöht werden. Eine Stundenwlnkelnachführung der Solarzellen kann einen Leistung gewinn bis zu 30 X erbringen. Die Solarzellenanstellwinkelnachführung kann zusätzlich zu einer Leistungssteigerung von 3 bis 4 X führen. Der finanzielle Mehraufwand für eine Nachführung kann durch den daraus resultierenden Leistungsgewinn gerechtfertigt werden. Die Solarzellen können aus Silicium hergestellt seln, das nach den verschiedenen Herstellungsmethoden für Silicium-Solarzellen gefertigt sein kann. (Günther Lehner, Solartechnik, Grundlagenanwendungen, Zukunftsaussichten, 3. Aufl.
1981). Der von den Solarzellen 3 erzeugte Gleichstrom wird über Gleichstrommaschinen 7, die mit Wechselstromgeneratoren 8 bzw.
über eine andere Umwandlungsanlage gekoppelt sind, zur Wechselstromerzeugung herangezogen. Ein gewisser Teil des Gleichstroms kann z.B. in Kurzzeitspeichern 9 gespeichert werden. Diese Kurzzeitspeicher werden besonders in den frühen Morgenstunden zum Anlaufen der Gleichstrommaschinen auf ihre Betriebsdrehzahl herangezogen. In einen Gleichstrom-Wasser-Elektrolysegerät 10 wird mittels eines weiteren Teils des Gleichstroms von den Solarzellen Wasser in die Komponenten Sauerstoff und Wasserstoff elektrolytisch zerlegt. Die Gase können in Gasspeichern 11 gelagert werden. In einer Heizungsgasturbine 12 werden die in den Gasspeichern 11 gelagerten Gase wieder zu Wasser verbrannt. Die entstehende Wärme wird einem Warmwasserspeicher 13 zugeführt. Die Gasturbine 12 ist mit einem Generator 14 verbunden, der die mechanische Energie in der Gasturbine in elektrische Energie umwandelt. Ein Wärme-Recycling-System 15 nutzt die bei den zahlreichen Prozessen entstehende Wärme und sammelt sie über ein Wärmepumpensystem, um dadurch energiesparend die Warmwasserversorgung und Heizung des Hauses zu gewährleisten. Bei diesem Wärme-Recycling-System 15 kann z.B. die Wärme aus Abluft und Abwasser und Abdampf etc. zurückgewonnen werden. Die Wärme unter den Solarzellenmoduln, welche auf Aluminiumplatten 16 (wärmeleitende Platten) montiert werden, kann ebenfalls in den Wärmekreislauf zurückgeführt werden. Die Nutzung sogenannter "Umweltwärme" 83, wie z.B. Erdwärme, Wärme der Außenwände, Luft, bei landwirtschaftlichen Betrieben auch Stallwärme etc., kann ebenfalls in das Wärme-Recycling-System mit einbezogen werden.
Zur Wasserversorgung ist ein Regenwassertank 17 mit Wasseraufberettungsanlage in Verbindung mit z.B. einem Dachspeicher 84 vorgesehen. Die Räumlichkeiten werden durch ein Raumheizungssystem 18 mit Wärme versorgt, das seine Wärme aus dem Warmwasserspeicher 13 bezieht. Das "Energiegewinnhaus" ist über ein Gasnetz 19 und ein Stromnetz 20 mit dem öffentlichen Energteversorgungsnetz verbunden. Bei ausreichender Solarleistung und ausreichendem Speichervolumen für Brennstoff kann das Gasnetz 19 entfallen. Ebenso wird das Gasnetz l9 bei einem Zusatz-Brennstoffbezug über Tankfahrzeuge (analog derzeitiger Heizöl versorgung) nicht benötigt. Jedoch wäre für eine langfristig gesehene sinnvolle Transportkostenreduzierung das Gasnetz 19 notwendig.
Diese Einrichtungen können an Gebäuden von Industrieanlagen ebenfalls angebracht sein, so daß diese "vor Ort" unter Nutzung der Sonnenergte zumindest einen Teil ihres Eigenenergiebedarfs selbst beitragen ("Energiegewinnindustrieanlage").
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild eines sog. "Energieraumes".
Die von den Solarzellen 3 resultierende Solarzellenleistung 21 wird über ein Meßglied 22 und über Steuerglieder 23 den Gleichstrommaschinen 7 zugeführt. Der Kurzzeitspeicher 9 speichert einen Teil der von den Solarzellen 3 kommenden Leistung, um in der Anlaufphase der Gleichstrommaschinen 7 die dazu notwendige Energie zu liefern. Die mit den Gleichstrommaschinen 7 gekoppelten Wechselstromgeneratoren 8 geben ihre Leistung über Meßglieder 24 und Steuerglieder 25 ab. Die Energie kann über eine Leitung 26 für den eigenen Verbrauch genutzt werden. Die überschüssige elektrische Energie kann über eine Transformatoreneinheit 27, ein Meßglied 28 und einen Stromzähler 29 In das öffentliche Netz 20 abgegeben werden.
Eine Gasturbine 12, die über ein Steuerglied 30 von den Gasspeichern 11 mit Heizgas versorgt wird, ist mit einem Generator 14 gekoppelt, der seine Leistung ebenfalls über ein Meßglied 24 und ein Steuerglied 25 abgibt. Diese Energie kann nun ebenfalls über die Leitung 26 für den eigenen Verbrauch oder in das öffentliche Netz 20 abgegeben werden. Die gesamte Energlevertellung wird durch einen Regler 31, der von einem Netzteil 32 gespeist wird, geregelt.
In diesem Energieraum kann die elektrische Energie entweder nur durch die Solarzellenleistung direkt erzeugt werden, oder über die aus den Solarzellen gewonnene elektrische Energie in speicherbare Energie umgewandelte Energieträger Wasserstoff und Sauerstoff durch reversible Verbrennung gewonnen werden.
Welche dieser Quellen jeweils herangezogen werden, hängt davon ab, wie intensiv die momentane Sonneneinstrahlung ist; das bedeutet: bei sehr intensiver Sonneneinstrahlung während der Tageszeit wird der Strombedarf durch Umwandlung der Solarzellenleistung 21 in den Gleichstromgeneratoreinheiten 7,8 bzw.
in anderen Umwandlungsanlagen bereitgestellt. Bei geringer Sonneneinstrahlung kann die benötigte Energie aus den Gasspeichern il durch Verbrennung der Gase In der Gasturbine 12 und deren Kopplung mit den. Generator 14 erzeugt werden. Bei Störfällen (Ausnahmefälle) kann auch aus dem öffentlichen Stromnetz 20 Strom entnommen werden. An die Stelle der Glelchstrommaschlnen-Generatorkombination 7,8 kann auch z.B. eine elektronische Glelchstrom/Wechselstrom-Umwandlungsanlage treten.
Fig. 3 zeigt die Abhängigkeit der Solarzellenleistung 21 von der Tages- bzw. Jahreszeit. Die in Fig. 3 eingezeichneten Energiestufen bezeichnen die Stellen, an denen die in Fig. 2 aufgezeigten Gleichstrommaschinen/Wechselstromgeneratoreinheiten 7,8 durch die Steuerglieder 23 in Betrieb genommen erden können.
Dabei ist zu entnehmen, daß bei zunehmender Solarzellenleistung nach Inbetriebnahme des Generators 1 nach Obersteigen eines Schwellwertes der Generator 2 und beim Oberschreiten eines noch höheren Schwellwertes der Generator 3 zugeschaltet wird. Bei Abnahme der Solarzellenleistung In den F;achmittags- und Abendstunden schaltet sich zuerst der Generator 3, dann der Generator 2 und dann erst der Generator 1 wieder ab. Wie aus dem diagramm zu entnehmen ist, reicht die Sonneneinstrahlung in dem im allgemeinen sonnenintensivsten Monat Juni bereits in den frühen Morgenstunden aus, um den Generator 1 in Betrieb zu nehmen, so daß die Eigenenergieversorgung jederzeit gewährleistet ist. Selbst an den wenig sonnenintensiven Dezembertagen reicht die Solarleistung auch bei ungünstigen Bedingungen aus, um zumindest einen Generator über mehrere Stunden hinweg zu betreiben. Geht man von einem durchschnittlichen Privatwohnhaus aus, so ergibt das, über 5 Stunden gesehen, einen Wert von 10 KWh/Tag. Bei 5 x 106 Wohneinheiten sind dies 50 000 MWh an einem bewölkten Dezembertag. Um auf denselben Wert zu kommen, müßte ein 1300 MW-Kraftwerk 39 Stunden ununterbrochen in Betrieb sein.
Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild einer Wasserstoffgewinnanlage. In diesem Ausführungsbeispiel wird nur der bei der Wasserelektrolyse entstehende Wasserstoff gespeichert. In anderen Ausführungsbeispielen kann selbstverständlich auch der bei der Wasserlektrolyse ebenfalls entstehende Sauerstoff gespeichert werden, und beide Gase reversibel wieder zu Wasser verbrannt werden. In dem hier vorliegenden Ausführungsbeispiel wird nur der Wasserstoff verwendet, während der Sauerstoff über eine Gasleitung 85 einer anderen Verwendung, z.B. Belebung des Klimasystems des Hauses mit Sauerstoff oder Wasseraufbereitung durch Sauerstoff, zugeführt werden kann. Der nötige Sauerstoff zur Verbrennung des Wasserstoffs zu Wasser wird in diesem Ausführungsbeispiel der Luft entnommen. Die Solarzellenleistung 21 wird über ein Meßglied 22 einem Wasserstofferzeuger 33 zugeführt. Der entstandene Wasserstoff wird über einen Verdichter 34 und ein Regelventil 35 in einen Wasserstoffspeicher 36 eingespeist. Obersteigt der Druck im Wasserstoffspeicher 36 einen mit einem Manometer 37 gemessenen Nenndruck, so wird der überschüssige Wasserstoff über ein Ventil 38 und einen Wasserstoffzähler 39 in ein öffentliches Wasserstoffnetz 40 abgegeben.
Der Wasserstoff kann über ein Ventil 41 in eine Gasturbinen-Generatoreinheit 12,14 eingespeist werden und die produzierte elektrische Energie, wie in Fig. 2 gezeigt, über die Leitung 26 dem Eigenverbrauch zugeführt werden. Ein gewisser Teil der erzeugten elektrischen Energie kann über einen Gleichrichter 42 und ein Steuerglied 43 einem Gleichstrommotor 44 zum Antrieb des Verdichters 34 zugeführt werden.
Der überschüssige Anteil an Energie kann ebenfalls, wie in Fig. 2 gezeigt, in das öffentliche Stromnetz 20 abgegeben werden. Er kann aber besonders vorteilhaft über einen Gleichrichter 45 dem Wasserstofferzeuger 33 wiederum zugeführt werden. Auch diese Anlage ist an das öffentliche Stromnetz 20 über ein Meßglied 46, ein Steuerglied 47 und einen Stromzähler 48 angeschlossen. Die Regelung der Gesamtanlage erfolgt durch einen Regler 49, der über ein Netzteil 50 mit Strom versorgt wird.
In dieser Wasserstoffgewinnanlage wird der Wasserstoff gasförmig unter einem überhöhten Druck gelagert. In einem weiteren Ausführungsbeispiel können die entstandenen Gase (Wasserstoff und/oder Sauerstoff) auch r flüssiger Form gelagert werden, wobei durch einen Verdichter die Gase nach dem Linde'schen Verflüssigungsprinzip verflüssigt werden.
Die bei der Verdichtungsarbeit anfallende Wärme kann über ein Wärme-Recycling-System dem Warmwasserspeicher des Gebäudes wieder zugeführt werden. Diese Art der Lagerung wird besonders bei größeren Anlagen bevorzugt sein, da dann der Speicherraum für die Gase wesentlich geringer ist.
In Fig. 5 ist ein Blockschaltbild einer Heizunosanlage aufgezeigt. Als Wärmeerzeuger ("Brenner") dient ie in Fig.
2 und Fig. 4 beschriebene Gasturbine 12 der Gasturbinengeneratoreinheit 12, 14. Bei einer Gasturbine beträgt die maximale Elektrizltätsausbeute heute ca. 30 % in Bezug auf die zur Verfügung stehende Energiemenge des Brennstoffs. Im erfindungsgemäßen Energiegewinnraum arbeitet die Gasturbine 12 nicht in erster Linie zur Erzeugung elektrischer Energie, vielmehr stellt sie die Wärmequelle für die Heizung dar, und der erzeugte Strom kann somit als ZAbfallproduktZ betrachtet werden. Das bedeutet: ca. 70 X des Brennstoffenergieinhalts wird so in Abgaswärme umgewandelt.
Luft und/oder Sauerstoff werden in einem Verdichter 51 konprimiert und in einer Brennkammer 52 mit dem Brenngas gemischt und verbrannt. Die heißen Abgase treiben die Gasturbine 12 an, die mit dem Generator 14 verbunden ist. Ein Startmotor 53 ist für den Anlaufbetrieb der Turbine vorgesehen. Den heißen Abgasen wird die Wärme in Kondensatoren 54 mit nachgeschalteten Wärmeaustauschern entzogen und dem Warmwasserspeicher 13 des Helzungssystems zugeführt. Dem Warmwasserspeicher 13 kann über Wärmepumpen 55 aus dem Wärme-Recycling-System 15 und aus dem Wassertank 17 (siehe Fig. 1) die an anderer Stelle aufgenommene Wärme zugeführt werden. Nach Oberschreiten einer Grenztemperatur im Warmwasserspeicher 13 wird die Oberschußwärme aus dem Heizung kreislauf in den Wassertank 17 transportiert. Das Warmwasser wird dann über eine Heißwasserpumpe 56 dem Wärmekreislauf des Gebäudes zugeführt und anschließend dem Warmwasserspelcher durch eine Heizungsrücklaufleitung 57 wieder zum Aufwärmen zugeleitet.
Bei ausgeschalteter Heizung und zu gering vorhandener Solarenergie wird die wärmemenge, welche beim Betrieb der Gasturbinen-Generator-Kombination, hervorgerufen durch den Eigenstrombedarf, entsteht, über die Pumpe 93 dem Warmwasserspeicher 13 zugeführt.
Durch entsprechend ausgelegte Gasflüssigkeitswärmetauscher ist es möglich, den größten Teil der anfallenden Wärme energie dem Abgas der Gasturbine 12 zu entnehmen. Beginnend auf der kalten Abgaswärmeaustausch-Kondensatorstrecke, wird das kalte Heizmedium zuerst durch den Wärmetauscher und daran anschließend durch den Kondensator in Richtung zur heißen Strecke der Heizwasser-Erhitzungsstrecke geführt. Der kalten Seite des Heizungskreislaufs kann über eine Wärme pumpe z,B, aus einem Ausgleichsbehälter noch eine weitere, nicht unbeträchtliche Energiemenge entzogen werden. Hierdurch wird die Eintrittstemperatur des Heizungskreislaufs in den Wärmeaustauscher weiter gesenkt, wodurch eine größere Wärmemenge dem Gasturbinenabgas entnommen werden kann. Mit z.B. zwei Gasturbinen-Generatorkombinationen in unterschiedlicher Größe kann die erforderliche Leistung effektiver bereitgestellt werden. Durch den strombedarfsbedingten Betrieb der Gasturbine 12 werden der Heizwasserspeicher und der ggf.
installierte Warmwasser-Großspeicher gleichzeitig aufgeheizt. Hierdurch kann die Gasturbine 12, nachdem der Verbrauch elektrischer Energie beendet ist, ggf. abgeschaltet werden. Die Heizung wird dann über die gespeicherte Wärmemenge betrieben.
An manchen Tagen genügt somit die Elnschaltphase zur Strombedarfsdeckung, um gleichzeitig die erforderliche Heizenergie bereitzustellen. Wärmeenergie, die dabei anfällt, wird über Wärmetauscher und Wärmepumpe zur Brauchwassererwärmung in Verbindung mit einem Brauchwasserspeicher verwendet; z.B.
kann in einem unterirdisch thermisch isolierten Regenwasser-Sammeltank die Wärmeenergie gespeichert werden.
Bei eventueller Verwendung des Regenwassers zur Brauchwasserbedarfsdeckung kann der bei der Wasserstofferzeugung frei gesetzte Sauerstoff durch das Wasser hindurch ins Freie abgegeben werden.
Durch eine entsprechend konstruierte Gasturbine (Gasabzweig an der Turbine mit anschließender Energieabgabe in einem Kondensator und Drosselung) kann die Wärmeausbeute bei gleichzeltiger Einbuße bei der elektrischen Leistung gesteigert werden. So ist es möglich, ein optimales Verhältnis zwischen benötigter elektrischer Leistung und Wärmeenergie zu erzielen.
Eine andere Möglichkeit der Beheizung wäre. den Wasserstoff direkt in einem Brenner zu verheizen. Hierbei muß allerdings der Elektrizitätsbedarf anderweitig (z.B. über eine Brennstoffzelle in Verbindung mit Stromspeichern und mechanischer bzw. elektronischer Gleichstrom/Wechselstromumwandlung) abgedeckt werden.
Fig. 6 zeigt einen Solarverkehrsweg mit Wasserstofferzeugung und Wasserstofftankstelle. Das Solarzellenenergieerzeugungsprinzip in großtechnischem Maßstab scheitert oft daran, daß riesige Flächen für die Solarzellen benötigt werden. Werden die Solarzellen jedoch an bereits überbauten Stellen aufgebaut, so werden keine zusätzlichen Frei flächen für die Installation der Solarzellen benötigt. eine Möglichkeit wäre die Oberbauung von Bundesautobahnen oder anderen Verkehrswegen mit Solarzellenvorrichtungen 81. Die Solarzellen 3 können auf einer auf einem Mittelstreifen 58 einer Autobahn 59 abgestützten Tragkonstruktion 60 installiert werden und bilden damit eine Oberdachung 82. Der erzeugte Strom kann über Oberleitungen 61 direkt an den Verbraucher, z.B. Elektrobusses Oberleitungsbusse, abgegeben werden. Die überschüssige Energie kann über Generator- und Transformatorenstationen 62 den Wasserstofferzeugerstellen 63 zugeführt werden. Der erzeugte Wasserstoff kann über das öffentliche Netz den Verbrauchern zugeführt werden.
Besonders vorteilhaft kann er nun an der Autobahn auch natürlich in Wasserstoff-Tankstellen 64 zur Verfügung gestellt werden. Diese Oberdachung 82 hat weiterhin den Vorteil, daß die Autobahnen 59 durchweg beleuchtet werden und damit erheblich zur Verkehrssicherheit auf diesen Straßen beitragen können. Bei der Umrüstung der Kraftfahrzeuge auf Wasserstoffbetrieb wird weiterhin an diesen verkehrsintensiven Stellen ohne große Transportprobleme der Energieträger zur Verfügung gestellt.
In einem weiteren, hier nicht aufgezeigten Ausführungsbeispiel, sind die Oberdachungen auf Schiffen angebracht, mittels derer sie während des Transportes und auch wabrend der oft langandauernden Liegezeit die Sonnenenergie nutzen.
Fig. 7 zeigt ein Blockschaltbild einer neugestalteten Energieversorgung. Der obere mit der gestrichelten Linie umgrenzte Bereich stellt den Gebäudekomplex der privaten Haushalt, der energieverbrauchenden Industrie und der Staatsgebäude dar. Die Sonnenenergie 66 wird über die Solarzellen 3 über ein Regel system 67 der Gleichstrom-Wechselstrom-Umwandlungseinheit 68 und/oder, je nach momentanem Elgenstrombedarf 69, der Wasserstofferzeugungseinheit 79 zugeführt. Von dort wird der Wasserstoff, ggf.
über den Verflüssigungsweg, im Speicher 78 intern gcspeichert bzw. bei voller Speicherkapazität in ein eventuell vorhandenes Gasverbundnetz 19 abgegeben. In einer Gasturbinen-Generatoreinheit 70 kann je nach Bedarf llärmeenergie für die Heizung 90 in Verbindung mit elektrischer Energie bereitgestellt werden.
Der zweite, mittlere, mit einer durchbrochenen Linie umgrenzte Bereich 71 stellt die wasserstofferzeugende Industrie dar. Sonnenenergie 66 wird über die Solarzellen 3 und das Regel system 67 mit zur Wasserstoffproduktion 73 herangezogen. Der andere Teil der zur Wasserstoffproduktion 73 und zur Eigenstrombedarfsdeckung 69 herangezogenen Energie stammt aus bereits bestehenden konventionellen Kraftwerken 91 (KKW, abgasentschwefelte Kohlekrafter!'.e, Wasserkraftwerke etc.) bzw. aus Wasserstoffkraftwerken. Der erzeugte Wasserstoff wird in Speichern 72 unter Druck, bzw.
nach erfolgter Verflüssigung in flüssiger Form gespeichert.
Die Speichereinheiten dienen bei einem Wasserstoffverbundnetz gleichzeitig als Ausgleichsspeicher, der netzseitig aufnehmen und abgeben kann.
Der dritte, untere, mit einer gestrichelten Linie umgrenzte Bereich 74, stellt die Wasserstoffkraftwerke dar. Die Sonnenenergie 66 wird über die Solarzellen 3 zur Stromerzeugung 75 herangezogen. Diese Stromerzeugung 75 kann durch Gastur binden, die durch Wasserstoff aus dem Wasserstoffverbundnetz 19 gespelst werden, geschehen, oder in Brennstoffzellen oder durch Dampfturbinen in auf Wasserstoffverbrennung umgerüsteten Kraftwerken erfolgen. Wird die Wasserstoffverbrennung mit durch Sauerstoff entsprechend angereicherter Luft durchgeführt, so ist das einzige Abfallprodukt 76, das die Kraftwerke produzieren, Wasser.
Ein Teil des Wasserstoffs der wasserstofferzeugenden Industrie kann dem Verkehrswesen 77 zur Verfügung gestellt werden. Dieses wird gleichzeitig direkt mit elektrischem Strom versorgt. Durch Bremsgeneratoren kann eine teilweise Rückumwandlung der kinetischen Energie in elektrische Energie nit z.B. Netzeinspeisung 92 erreicht werden, um so eine weitere Wirkungsgradverbesserung zu erzielen.
Im Blockschaltbild (Fig. 7) ist die Sauerstoffspeicherung und -verteilung nicht näher eingezeichnet. Die Speicherung ven Wasserstoff und Sauerstoff kann vorzugsweise in kugelförmigen Tanks ober- oder unterirdisch geschehen.
Bei oberirdischer Lagerung in kugelförmigen Tanks können diese ebenfalls niit Solarzellen bz. Solarzellenkappen versehen sein, sowie selbstverständlich die gesamten Gebäude in diesen Bereichen, so daß, der Grundprinzip der Erfindung folgend, die vorzugsweise bereits vorhandenen überbauten Flächen nit Solarzellen bestückt und erst, wenn unbedingt notwendig, darüberhinaus anderweitige Freiflächen mit Solarzellen überbaut werden.
Das Gesamtenergiekonzept sieht eine Verlagerung der Einzelenergieproduktion in die jeweilige Gebäudeeinheit vor, wobei möglichst viel der bereits vorhandenen Infrastruktur in Bezug auf Energietransport, Energieerzeugung, Energie@mwandlung, in Anspruch genommen werden soll. Die notwendigen Investitionen zur Individualisierung der Energieprod@ktion benötigen eine generelle Aber vom sogenannten "Kraftwerksdenken". Die Nutzung der unerschöpflichen Sonnenenergie stellt, in weiter Zukunft gesehen, das einzig auf die Dauer anwendbare und absolut umweltneutrale Energiekonzept dar.
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Claims

Titel: Einrichtung zur Energieversorgung von Gebäuden unter Nutzung der Sonnenenergie als Energiequelle A n s p r ü c h e Einrichtung zur Energieversorgung von Gebäuden unter Nutzung der Sonnenenergie als Energiequelle, gekennzeichnet durch - eine Solarzellenvorrichtung (80) auf dem Gebäude, in der die Sonnenenergie in elektrische Energie umwandelbar ist, - aine Wasser-Elektrolyse@ Vorrichtung (10), in der Wasserstoff und Sauerstoff mittels der vun der Solarzellenvorrichtung (80) gelieferten elektrischen Energie erzeugbar sind, und - eine Speichervorrichtung (11), in der zumindest der durch die Wasserelektrolyse entstandene Wasserstoff speicherbar Ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Gasturbinen (12)-Generator (14)-Vorrichtung oder in einem Brenner das oder die gespeicherten Gase in elektrische Energie und/oder Wärme umwandelbar sind.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Solarzellenvorrichtung (80) sowohl elektrische Energie als auch Wärmeenergie erzeugbar ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mittels Wärmeübertragungsvorrichtungen die in der Solarzellenvorrichtung (80) und der Gasturbinen (12)-Generator (14)-Vorrichtung anfallende Wärme einem Warmwasserspeicher (13) zuführbar ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Solarzellenvorrichtung (80) anfallende elektrische Energie zumindest teilweise in Kurzzeitspeichern (9) speicherbar ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Solarzellenvorrichtung (80) in Form von Gleichstrom anfallende elektrische Energie durch Gleichstrommotor (7)-Generator (8)-Vorrichtung oder durch eine elektronische Glelchstrom/Wechselstrom-Umwandlungsanlage in Wechselstrom umwandelbar ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Solarzellenvorrichtung (80) aus Solarzellen (3) und aus unter der der Sonneneinstrahlung abgewandten Selte der Solarzellen (3) angeordneten Wärmekollektoren besteht.
8. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungsvorrichtung aus mindestens einer Wärmepumpe (55) und mindestens einem Kondensator mit nachgeschaltetem Wärmetauscher (54) besteht.
9. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gase in der Speichervorrichtung (11) bis zu einem bestimmten Druck speicherbar sind und bei Oberschreiten eines vorbestimmten Wertes die überschüssige Gasmenge in ein Verbundqasnetz (19) abgebbar ist.
10. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gase in der Speichervorrichtung (11) nach Verflüssigung In flüssiger Form speicherbar sind und die bei der Verflüssigung anfallende Wärme dem Warmwasserspeicher (13) zuführbar ist.
11. Einrichtung nach Anspruch 1 und folgende, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der gespeicherten Energie, der erzeugten elektrischen Energie und der erzeugten Wärmeenergie sowie der die Speicherkapazität übersteigenden und abzuführenden Energie durch Regler (31, 49) In Abhängigkeit der Bedürfnisse und der Sonnenintensität regelbar ist.
12. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl Wasserstoff als auch Sauerstoff gespeichert sind.
13. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur der Wasserstoff gespeichert ist und der Sauerstoff dem Raumbelüftungssystem und/oder dem Wasserversorgungssystem zugeführt ist.
14. Einrichtung zur Energleerzeugung unter der Nutzung der Sonnenenergie als Energiequelle, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer Solarzellenvorrichtung (81) die Sonnenenergie in elettrische Energie umwandelbar ist und daß mittels der so gewonnenen elektrischen Energie Wasser in einer Elektrolysevorrichtung auf elektrochemischem Wege In Wasserstoff und Sauerstoff auftrennbar ist und zumindest Wasserstoff als Energieträger speicher-und transportierbar ist.
15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Solarzellenvorrichtung (81) aus einzelnen Baugruppen zu großflächigen Oberdachungen (82) zusammengesetzt ist.
16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberdachungen (82) auf bereits bebauten Flächen, wie z.B. Straßen, Autobahnen, Schlenenwegen, Kfz-Abstellplätzen, Hofräumen, anbrlngbar sind.
17. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberdachungen (82) auf Schiffen anbringbar sind.
18. Einrichtung nach Anspruch 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der durch die Solarzellen (3) erzeugten elektrischen Energie den aktuellen Verbrauchsstellen, wie zB. Beleuchtungseinrichtungen oder elektrisch betriebenen Fahrzeugen, mittels Oberleitungen (61) direkt verfügbar ist, während ein anderer Teil zur Wasserstoffherstellung durch Wasserelektrolyse verfügbar ist.
19. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Gase unter Druck speicherbar und transportierbar sind und die Einrichtung über ein Verbundgasnetz (19) mit den in den Ansprüchen 1 bis 12 gekennzeichneten Einrichtungen verbindbar ist.
20. Einrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Gase in flüssiger Form lagerbar und in flüssiger oder gasförmiger Form transportierbar sind.

- Ende der Ansprüche -