EP2971980A1 - Heizungsanlage sowie verfahren zum betreiben einer heizungsanlage - Google Patents

Heizungsanlage sowie verfahren zum betreiben einer heizungsanlage

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EP2971980A1
EP2971980A1 EP14701087.0A EP14701087A EP2971980A1 EP 2971980 A1 EP2971980 A1 EP 2971980A1 EP 14701087 A EP14701087 A EP 14701087A EP 2971980 A1 EP2971980 A1 EP 2971980A1
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EP
European Patent Office
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heat
heat buffer
heating system
buffer
water
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14701087.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hermann Stumpp
Oliver Marquardt
Wolfgang Friede
Uwe Limbeck
Johannes Zorzi
Christian Herbert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2971980A1 publication Critical patent/EP2971980A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02P80/10—Efficient use of energy, e.g. using compressed air or pressurized fluid as energy carrier
    • Y02P80/15—On-site combined power, heat or cool generation or distribution, e.g. combined heat and power [CHP] supply

Definitions

  • the invention relates to a heating system with at least one combined heat and power plant, at least one additional heater and at least one heat storage. Furthermore, the invention relates to a method for operating in particular such a heating system.
  • a combined heat and power plant is understood to mean a plant which provides at a first output one equivalent to a force, such as a mechanically rotating part or a current-supplying electrical voltage, and at another output heat.
  • a fuel cell heating system is understood to mean a special combined heat and power plant which has a fuel cell system with a fuel cell stack containing one or more fuel cells and an afterburner. In the fuel cell system, an electrical voltage and optionally an electric current in the fuel cell and heat in the fuel cell and in the afterburner is generated.
  • a heating system with a combined heat and power plant e.g. by a fuel cell plant, generating electricity, the at the
  • Electricity produced waste heat further use such as a heating circuit for a space heating and / or a hot water system. This can happen at certain times of the day or season, that an instantaneous heat demand, ie the heat that is needed for the space heating and / or for the hot water system exceeds the heat generated during power generation waste heat.
  • DE 102010001011 AI discloses a system with a combined heat and power plant in the form of a fuel cell heating system, in which a first portion of a first fuel in at least one fuel cell of a fuel cell system of the cogeneration plant is electrochemically converted, whereby an electric power and heat is generated, wherein a second portion of the first fuel leaving the fuel cell without reaction, after exiting the fuel cell in a
  • Fuel cell system which usually has a plurality of fuel cells, are operated stoichiometrically. That means more
  • Fuel of the anode and more oxidant must be supplied to the cathode, as there electrochemically reacts. This can be a
  • aging at the optimum operating point of the fuel cell is not minimal. Aging is understood here to mean a drop in the efficiency or the performance of at least one fuel cell over time, which can have various causes.
  • Fuel cell system operate at long distances on their maximum electric power. Under the maximum electrical power is the
  • Inverters should be understood to mean a device that meets the requirements of the Fuel cells can convert DC output into an alternating current.
  • the features listed in the dependent claims advantageous refinements of the heating system according to the main claim are possible.
  • the auxiliary heater can be a boiler, a spa or a burner. It can be integrated with the fuel cell system in a device or designed as a separate device.
  • the fuel cell system in a device or designed as a separate device.
  • Fuel cell system and the auxiliary heater components share, z. B. a heat exchanger, a fuel supply or the controller or the scheme.
  • the heat buffer has an upper region with at least two connections and a lower region with at least two connections and the combined heat and power plant with a hot water outlet to an upper connection of the heat buffer and with a cold water inlet to a lower connection of the heat buffer connected.
  • this circuit is simplified when the heat buffer has an upper area with at least two terminals and a lower area with at least two terminals and the auxiliary heater with a
  • Hot water inlet is connected to an upper connection of the heat buffer and with a cold water outlet to a lower connection of the heat buffer.
  • the water flows can then be sensitively regulated when the heat buffer is connected to the additional heater via a 3-way mixing valve.
  • the control of the heat buffer succeeds if it has at least one upper and / or at least one lower temperature sensor.
  • the upper temperature sensor in particular the hot water area of the Heat buffer are monitored while another temperature sensor is located in the lower, cold area.
  • the auxiliary heater directly and / or indirectly with a
  • Hot water tank and / or one or more heating circuits to be connected are connected.
  • the efficiency of the heating system can be further increased if the combined heat and power plant has at least one reformer for splitting fuel supplied to the additional water is supplied.
  • a reformer is understood to mean a device to which, for example, natural gas can be supplied, and which at least partially transforms the natural gas into hydrogen, hydrocarbon, carbon monoxide and / or carbon dioxide.
  • the reformer supplied water as condensation from at least one heat exchanger of the heating system and fed to a condensate tank can on an outer
  • the available amount of condensed water in the condensate tank can be easily determined if the condensate tank has a
  • Level sensor has.
  • An increase in efficiency is also due to an inventive method for operating a heating system, the at least one combined heat and power plant, at least one additional heater and at least one
  • Has heat buffer then achieved when the additional heater warm hot water only from the heat buffer, when the return temperature of the
  • Additional heating of incoming heating water is less than a temperature in an upper region of the heat buffer.
  • d has at least one combined heat and power plant, at least one Sakhei and at least one heat buffer, then, if the auxiliary heater warm heating water only from the heat buffer refers when the
  • Return temperature of the heating water arriving at the additional heater is lower than a temperature in a lower region of the heat buffer.
  • an increase in efficiency is also achieved by a method according to the invention for operating a heating system which has at least one cogeneration installation, at least one auxiliary heater and at least one heat buffer, if the cogeneration installation is able to provide an electric power and with high,
  • maximum electrical power is operated as long as the temperature in a lower region of the heat buffer is less than 50 ° C, preferably less than 45 ° C.
  • an increase in efficiency is also achieved by a method according to the invention for operating a heating system, which has at least one combined heat and power plant, at least one additional heater and at least one heat buffer, if the combined heat and power plant can provide an electric power and with high , in particular maximum electric power is operated as long as the temperature in an upper region of the heat buffer is less than 70 ° C, preferably less than 65 ° C.
  • an increase in efficiency can also be achieved by a method according to the invention for operating a heating system which has at least one combined heat and power plant, at least one additional heater and at least one heat buffer, if the combined heat and power plant is able to provide electrical power and with high efficiency ,
  • maximum electrical power is operated, as long as condensed water can be removed from the condensate tank and in particular the reformer can be supplied.
  • the inventive methods can also be combined and are preferably suitable for operating one of the aforementioned heating systems.
  • the features mentioned in the claims and in the description may each be essential to the invention individually or in combination.
  • the fuel cell may be a SOFC (Solid Oxide Fuel Cell).
  • the fuel cell system can have a plurality of fuel cells which may be combined to form a fuel cell stack or a fuel cell bundle.
  • Fuel can be natural gas, biogas, pure methane or longer-chain hydrocarbons such as propane, diesel, gasoline, kerosene, LPG or heating oil.
  • the first fuel may be methanol or a longer chain alcohol.
  • the first fuel may be partially or completely reformed prior to entering the fuel cell or in the fuel cell. This creates a fuel that is rich in hydrogen and / or carbon monoxide. Among the first fuel will be both the reformed and the
  • a third portion of the first fuel leaving the fuel cell is made available to the fuel cell by recirculation.
  • the second portion of the first fuel is thus reduced by the third portion.
  • the third portion can also be adjusted according to the heat demand and reduced in particular with increasing heat demand.
  • the second and third share are also based on the amount of the first
  • Fuel which is supplied to the fuel cell system, based.
  • the second fuel may be the same substance as the first fuel. However, the second fuel and the first fuel may also be different substances.
  • the auxiliary heater may be a gas fired value heater.
  • a heating system 10 which has a combined heat and power plant in the form of a fuel cell system 12 and an additional heater 14 and a heat storage, which is designed as a heat buffer 16.
  • the heat buffer 16 is characterized in that it contains a heat storage medium, preferably circulating heating water. In this heat buffer 16 heat can be introduced or removed regardless of the actual demand requirement.
  • the heat buffer 16 differs from a heat storage, which is usually to be kept at a high temperature level in order to keep heat available for peak demand periods. When heat buffer 16, it is such that the heat should be delivered as soon as possible, in order to allow the heat buffering effect namely the recovery of heat.
  • the heat buffer 16 is connected between the combined heat and power plant and the auxiliary heater 14. It follows that heat from the combined heat and power plant, ie from the
  • Fuel cell system 12 delivered to the heat buffer 16 and from
  • Additional heater 14 heat from the heat buffer 16 can be added.
  • the heat buffer 16 has an upper portion 18 and a lower portion 20, wherein the areas 18, 20 in the interior of the heat buffer 16 with or without interruption can merge into each other.
  • the upper area 18 the areas 18, 20 in the interior of the heat buffer 16 with or without interruption can merge into each other.
  • Heat buffer 16 two terminals 22 and 24 and in the lower region 20 has two terminals 26 and 28 on.
  • the fuel cell system 12 has a hot water outlet 30 which is connected to an upper terminal 22 of the heat buffer 16 and a cold water inlet 32 to a lower Terminal 26 is connected.
  • the fuel cell system 12 can continuously deliver heat to the heat buffer 16.
  • a pump 34 is provided.
  • the pump 34 is preferably disposed between the lower port 26 and the cold water inlet 32. This can be cold
  • the pump 34 can also be connected between the hot water outlet 30 and the upper connection 22.
  • the fuel cell system 12 shown in the figure has a
  • Fuel input 36 the fuel via a later described
  • the supplied fuel preferably natural gas
  • the supplied fuel is at least partially split and fed to the fuel cell 42.
  • the fuel cell 42 has an anode 44 and a cathode 46 separated by a catalytic element 48.
  • the fuel treated by the reformer 40 is supplied to the anode 44 of the fuel cell 42, while the cathode 46 is supplied via an air inlet 50 in particular oxygen.
  • the cathode 46 is supplied via an air inlet 50 in particular oxygen.
  • anode 44 and the afterburner 54 a portion of the unconsumed fuel is returned and fed to the reformer 40 via the aforementioned mixing valve 38.
  • the excess air, in particular oxygen leaves the cathode 46 through an outlet 56 and is also fed into the afterburner 54.
  • the excess fuel / air mixture is burned so that hot exhaust gases leave the afterburner 54 via an afterburner exit 58 in the direction of a heat exchanger 60.
  • the heat exchanger 60 is in the embodiment between the
  • the fuel cell system 12 can be operated extremely efficiently in this way as a combined heat and power plant, as long as on the one hand, the power is removed or can be fed into a public network and as long as the heat from the heat buffer 16 is received.
  • the cooled exhaust gases leave the heat exchanger 60 via an outlet 62.
  • the fuel cell system 12 also has a controller 63, via which the individual components can be controlled.
  • the mixing valve 38 or a compressor 65 which is located in the air inlet 50, are controlled.
  • the pump 34 can be turned on and off by the controller 63 depending on the design of the pump 34 or variably controlled in the rotational speed.
  • the heat buffer 16 has at least two connections 22 and 24 in an upper region 18 and two further connections 26 and 28 in a lower region 20.
  • the connections 24 and 28 are in
  • this arrangement may also be such that a flow-through coil is arranged in the heat buffer 16, which is connected either to the terminals 22 and 26 or to the terminals 24 and 28 and otherwise in the volume of the heat buffer 16 a
  • the auxiliary heater 14 has a heat block 68 which can heat the supplied heating water, if one Temperature increase is necessary.
  • the heat block 68 can be realized for example by a condensing boiler in the form of a gas burner with heat transfer.
  • a mixing valve 70 is connected between the upper outlet 24 and the inlet 64, which makes it possible to mix return water from the return line 66 to the inlet 64.
  • the mixing valve 70 is also connected to the return 66.
  • the auxiliary heater has a controller 69, which controls the heat block 68 in a conventional manner or regulates.
  • the control 69 monitors and influences elements not shown in the figure, such as fuel inlet, fuel and / or supply air compressor, flame monitoring and the like.
  • the controller 69 is connected to the controller 63 and communicates, for example, via a bus system 71. However, the controller 69 and the controller 63 may also be implemented in a single controller.
  • the heat buffer 16 has an upper temperature sensor 72 capable of detecting the temperature of the upper region 18.
  • Temperature sensor 72 may be mounted in the heating water or on an outer wall of the heat buffer 16.
  • the heat buffer 16 has a lower temperature sensor 74 capable of detecting the temperature of the lower region 20.
  • a Temperature sensor 74 may be mounted in the heating water or on an outer wall of the heat buffer 16.
  • the upper temperature sensor 72 and the lower temperature sensor 74 are connected to the controller 63 and the controller 69.
  • the additional heater 14 is connected in the exemplary embodiment with a heat exchanger 76, which in turn is connected to a service water tank 78.
  • the heat block 68 is indirectly connected to the hot water tank 78.
  • a pump 80 is introduced, the one
  • Hot water circulation through the heat exchanger 76 can enforce.
  • the pump 80 may be controlled by the controller 69.
  • At least one heating circuit 82 is connected to the heat block 68, whose feed 84 is connected to the hot water outlet 86 of the heat block 68.
  • the connection is made using a 3-way mixing valve 88, to which the heat exchanger 76 is connected.
  • a return 90 of the heating circuit 82 is connected to the return 66.
  • heating circuits 82 which, for example, are connected in parallel and each have a corresponding feed 84 and a corresponding return 90.
  • a temperature sensor 92 is arranged, which monitors the return temperature and which is connected to the control unit 63 and / or the control unit 69.
  • the heat exchanger 60 is designed so that condensate contained in the exhaust gas emitted by the afterburner 54 condensed and discharged directly or as in the embodiment via a line 94 to a condensate water tank 96.
  • condensate from other heat exchangers such as the heat exchanger 88, collect and supply the condensate water tank 96.
  • the purity of the condensate is special Pay attention and the condensate from the heat exchanger 88 may need to be cleaned.
  • the condensate water tank 96 is connected to the reformer 40 and can deliver to this condensate, which is responsible for the splitting of the
  • a level sensor 98 is mounted, which is connected to the controller 63.
  • the controller 63 thus receives the information as to whether the condensate required for the reforming process within the reformer 40 is present in sufficient quantity, or whether the fuel cell system 12 must be guided to another operating point.
  • the knowledge is used that the water balance of the fuel cell, ie the difference between condensed water and water required in the reformer, above a
  • Limit temperature in the cold water inlet 32 of the heat exchanger 60 is negative. That is, the higher the power of the fuel system, the more condensate must be fed to the reformer 40, but not to the same extent in the
  • Heat exchanger 60 is obtained. Below the limit temperature, more water condenses than the reformer 40 requires. Used as fuel natural gas
  • the limit temperature is between 40 ° C and 60 ° C.
  • the invention also relates to a method for operating a heating system 10 with at least one combined heat and power plant, in particular in the form of a fuel cell system 12, further comprising at least one auxiliary heater 14 and at least one heat buffer 16, according to which the auxiliary heater 14 warm heating water only from Heat buffer 16 refers when the
  • Return temperature of the arriving at the auxiliary heater 14 heating water is less than a temperature in an upper portion 18 of the heat buffer sixteenth
  • the mixing valve 70 is controlled so that at least when measured with the temperature sensor 92 temperature in the return line 66 is higher than that measured with the temperature sensor 72 Temperature in the upper region 18 of the heat buffer 16, no heating water is passed through the heat buffer 16 and the auxiliary heater 14 is supplied.
  • the invention also relates to a method for operating a heating system 10 with at least one combined heat and power plant, in particular in the form of a fuel cell system 12, further comprising at least one auxiliary heater 14 and at least one heat buffer 16, according to which the auxiliary heater 14 warm heating water only from Heat buffer 16 refers when the
  • Return temperature of the heating water arriving at the auxiliary heater 14 is smaller than a temperature in a lower portion 20 of the heat buffer 16.
  • the mixing valve 70 is controlled in such a way that at least when the temperature measured in the return 66 with the temperature sensor 92 is higher than that measured with the temperature sensor 74
  • the invention also relates to a method for operating a heating system 10 with at least one combined heat and power plant, in particular in the form of a fuel cell system 12, further comprising at least one auxiliary heater 14 and at least one heat buffer 16, according to which the cogeneration plant electrical Can provide power and is operated with high, in particular maximum electrical power, as long as the temperature in a lower portion 20 of the heat buffer 16 is less than 50 ° C, preferably less than 45 ° C.
  • the invention also relates to a method for operating a heating system 10 with at least one combined heat and power plant, in particular in the form of a fuel cell system 12, further comprising at least one auxiliary heater 14 and at least one heat buffer 16, according to which the cogeneration plant electrical Can provide power and is operated with high, in particular maximum electrical power as long as the temperature in an upper portion 18 of the heat buffer 16 is less than 70 ° C, preferably less than 65 ° C.
  • the fuel cell 42 may be operated modulating in a range of its electrical power of typically 100% to 30%.
  • Control strategy provides that during operation the highest possible electrical efficiency is achieved with simultaneous use of thermal energy.
  • the thermal energy is used for heating or hot water preparation.
  • the electricity is used by the owner either himself if necessary or fed into the public grid. Is the temperature in a lower portion 20 of the heat buffer 16 is less than 50 ° C, preferably less than 45 ° C, and / or the temperature in an upper portion 18 of the
  • Heat buffer 16 less than 70 ° C, preferably less than 65 ° C, the
  • Fuel cell 42 are operated with maximum electrical power. If the temperature in the lower region 20 or in the upper region 18 exceeds the stated values, the fuel cell 42 is operated so that as little heat as possible is emitted. This ensures that the fuel cell 42 can be operated with as long as possible maximum power, whereby the electrical efficiency of the fuel cell increases and the aging of the fuel cell is reduced.
  • the invention also relates to a method for operating a heating system 10 with at least one combined heat and power plant, in particular in the form of a fuel cell system 12, further comprising at least one auxiliary heater 14 and at least one heat buffer 16, according to which the cogeneration plant electrical To provide power and is operated with high, in particular maximum electrical power, as long as
  • Condensation water condensate water tank 96 can be removed.
  • the fuel cell 42 can be operated at maximum power. This means that the fuel cell 42 can be supplied with more than sufficient fuel and air, whereby an optimal mixing in the interior of the fuel cell 42, in particular in the region of the anode 44, is made possible. In this way, over- or underserved areas and thus warmer or cooler spots that cause a faster aging avoided. In addition, the overall efficiency of the heating system 10 increases. Due to the special training and especially integration of the
  • Heat buffer 16 it is possible to improve the fuel cell system 12 both in terms of their electrical power as well as with respect to the heat output and thus with respect to the overall efficiency compared to a system with a conventional hot water boiler.
  • Heat buffer 16 Heat absorption independent of the actual demand benefits the overall efficiency.
  • the controls 63 and 69 are designed so that the heat buffer 16 emits heat from its upper portion 18 as soon as this is possible by the heat demand profile.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Heizungsanlage (10) sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Heizungsanlage (10) mit mindestens einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage, mindestens einem Zusatzheizer (14) und mindestens einem Wärmespeicher. Es wird vorgeschlagen, dass der Wärmespeicher als Wärmepuffer (16) ausgelegt ist.

Description

Beschreibung Titel
Heizungsanlage sowie Verfahren zum Betreiben einer Heizungsanlage
Die Erfindung betrifft eine Heizungsanlage mit mindestens einer Kraft-Wärme- Kopplungsanlage, mindestens einem Zusatzheizer und mindestens einem Wärmespeicher. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben insbesondere einer solchen Heizungsanlage.
Im Folgenden wird unter einer Kraft- Wärme- Kopplungsanlage eine Anlage verstanden, die an einem ersten Ausgang ein Äquivalent zu einer Kraft, wie beispielsweise ein mechanisch rotierendes Teil oder eine einen Strom liefernde elektrische Spannung, und an einem anderen Ausgang Wärme bereitstellt. Unter einer Brennstoffzellenheizanlage wird eine spezielle Kraft-Wärme- Kopplungsanlage verstanden, die eine Brennstoffzellenanlage mit einem eine oder mehrere Brennstoffzellen enthaltenden Brennstoffzellenstack sowie einen Nachbrenner aufweist. In der Brennstoffzellenanlage wird eine elektrische Spannung und gegebenenfalls ein elektrischer Strom in der Brennstoffzelle und Wärme in der Brennstoffzelle und im Nachbrenner erzeugt.
Stand der Technik
In einer Heizungsanlage mit einer Kraft- Wärme- Kopplungsanlage wird, z.B. durch eine Brennstoffzellenanlage, Strom erzeugt, wobei die bei der
Stromproduktion entstandene Abwärme einer weiteren Verwendung, z.B. einem Heizkreis für eine Raumbeheizung und/oder einem Warmwassersystem, zur Verfügung gestellt wird. Hierbei kann es zu gewissen Tages- oder Jahreszeiten geschehen, dass ein momentaner Wärmebedarf, d.h. die Wärme, die für die Raumbeheizung und/oder für das Warmwassersystem benötigt wird, die bei der Stromerzeugung entstandene Abwärme übersteigt. Die DE 102010001011 AI offenbart eine Anlage mit einer Kraft-Wärme- Kopplungsanlage in der Form einer Brennstoffzellenheizanlage, bei der ein erster Anteil eines ersten Brennstoffes in mindestens einer Brennstoffzelle einer Brennstoffzellenanlage der Kraft-Wärme-Kopplungsanlage elektrochemisch umgesetzt wird, wodurch eine elektrische Leistung und Wärme erzeugt wird, wobei ein zweiter Anteil des ersten Brennstoffes, der die Brennstoffzelle ohne Umsetzung verlässt, nach dem Austritt aus der Brennstoffzelle in einem
Nachbrenner der Brennstoffzellenanlage verbrannt und dabei Wärme erzeugt wird, wobei in einem Zusatzheizgerät ein zweiter Brennstoff verbrennbar ist und dabei Wärme erzeugbar ist und wobei an einem optimalen Betriebspunkt der Brennstoffzelle ein optimaler erster Anteil des ersten Brennstoffes umsetzbar ist.
Wird eine Brennstoffzellenanlage zur Stromerzeugung ohne Wärmeauskopplung betrieben, so wird versucht, einen möglichst hohen Anteil des zugeführten Brennstoffs elektrochemisch reagieren zu lassen, ohne dass es zu einer Alterung der Brennstoffzelle kommt. Zur Erzeugung einer gewünschten elektrischen Leistung wird also möglichst wenig Brennstoff zugeführt. Es muss ein möglichst hoher Anteil an Brennstoff elektrochemisch umgesetzt werden, um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erzielen, wobei sich der Wirkungsgrad auf die elektrische Leistungsabgabe pro zugeführte Brennstoffmenge bezieht. Auf der anderen Seite muss aber, um eine Alterung zu vermeiden, die
Brennstoffzellenanlage, die üblicherweise eine Vielzahl von Brennstoffzellen aufweist, überstöchiometrisch betrieben werden. Das heißt, dass mehr
Brennstoff der Anode und mehr Oxidationsmittel der Kathode zugeführt werden muss, als dort elektrochemisch reagiert. Hierdurch lässt sich eine
Unterversorgung einzelner Elektroden oder Elektrodenbereiche vermeiden. Eine Unterversorgung führt zu unerwünschten Nebenreaktionen, zu ungleicher elektrischer Spannungs- und gegebenenfalls elektrischer Stromverteilung und zu einer ungleichen Temperaturverteilung in den Brennstoffzellen, wodurch die Brennstoffzellen altern. An einem optimalen Betriebspunkt der Brennstoffzelle wird ein maximal möglicher Anteil an Brennstoff in den Brennstoffzellen elektrochemisch umgesetzt, ohne dass es zu einer schnellen Alterung der Brennstoffzellen kommt. Für den Betrieb bei Volllast und für verschiedene Teillastzustände können jeweils optimale Betriebspunkte festgelegt werden. Der in den Brennstoffzellen nicht umgesetzte, unverbrauchte Brennstoff kann rezirkuliert oder in einem Nachbrenner verbrannt werden. Die in dem
Nachbrenner erzeugte Wärme wird dem Gesamtwirkungsgrad zugerechnet.
Da es sich bei dem optimalen Betriebspunkt um einen Kompromiss zwischen dem elektrischen Wirkungsgrad und einer Alterung der Brennstoffzellen handelt, ist eine Alterung am optimalen Betriebspunkt der Brennstoffzelle nicht minimal. Unter Alterung wird hier ein Rückgang des Wirkungsgrads oder der Leistung mindestens einer Brennstoffzelle über die Zeit verstanden, der verschiedene Ursachen haben kann.
In der DE 102010001011 AI wird vorgeschlagen, beim Betrieb der Kraft-Wärme- Kopplungsanlage insbesondere der Brennstoffzellenanlage, den Wirkungsgrad der Kraft-Wärme-Kopplungsanlage im Wesentlichen unverändert zu lassen und eine Alterung der Brennstoffzellen zu verringern. Insbesondere soll die Kraft- Wärme-Kopplungsanlage mit ihrer Regelung bei einem Wärmebedarf, der höher ist als die Wärme, die an einem optimalen Betriebspunkt der Brennstoffzelle durch die Brennstoffzellenanlage erzeugbar ist, den ersten Anteil des ersten Brennstoffes erniedrigen, so dass mehr erster Brennstoff als an dem optimalen Betriebspunkt der Brennstoffzelle im Nachbrenner verbrennt.
Es ist Aufgabe der Erfindung die Effizienz einer solchen Heizungsanlage weiter zu verbessern ohne eine verstärkte Alterung herbeizuführen.
Offenbarung der Erfindung
Die Lösung der Aufgabe gelingt, wenn ein vorhandener Wärmespeicher als Wärmepuffer ausgelegt ist. Auf diese Weise ist es möglich, die Zahl der
Abschaltzyklen drastisch zu verringern, wodurch die Alterung gehemmt wird. Trotzdem lässt sich die in der Kraft- Wärme- Kopplungsanlage enthaltene
Brennstoffzellenanlage in weiten Strecken auf ihrer maximalen elektrischen Leistung betreiben. Unter der maximalen elektrischen Leistung soll die
Nennleistung verstanden werden, die dem, dem in der Brennstoffzellenanlage angeordneten Brennstoffzellenstack nachgeschalteten Wechselrichter maximal entnommen werden kann, ohne die Brennstoffzelle zu zerstören. Unter einem
Wechselrichter soll eine Einrichtung verstanden werden, die den von den Brennstoffzellen abgegebenen Gleichstrom in einen Wechselstrom wandeln kann.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen der Heizungsanlage nach dem Hauptanspruch möglich. So gelingt das Einfügen des Wärmepuffers schaltungstechnisch einfach, wenn der Wärmepuffer zwischen die Kraft- Wärme- Kopplungsanlage und den Zusatzheizer geschaltet ist. Das Zusatzheizgerät kann ein Kessel, eine Therme oder ein Brenner sein. Es kann mit der Brennstoffzellenanlage in einem Gerät integriert oder als ein separates Gerät ausgebildet sein. Insbesondere können die
Brennstoffzellenanlage und das Zusatzheizgerät Komponenten gemeinsam nutzen, z. B. einen Wärmetauscher, eine Brennstoffzufuhr oder die Steuerung beziehungsweise die Regelung.
Eine weitere Vereinfachung gelingt, wenn der Wärmepuffer einen oberen Bereich mit mindestens zwei Anschlüssen und einen unteren Bereich mit mindestens zwei Anschlüssen aufweist und die Kraft- Wärme- Kopplungsanlage mit einem Warmwasserausgang an einen oberen Anschluss des Wärmepuffers und mit einem Kaltwassereingang an einen unteren Anschluss des Wärmepuffers angeschlossen ist.
Darüber hinaus vereinfacht sich dieser Schaltung, wenn der Wärmepuffer einen oberen Bereich mit mindestens zwei Anschlüssen und einen unteren Bereich mit mindestens zwei Anschlüssen aufweist und der Zusatzheizer mit einem
Warmwassereingang an einen oberen Anschluss des Wärmepuffers und mit einem Kaltwasserausgang an einen unteren Anschluss des Wärmepuffers angeschlossen ist.
Die Wasserströme, insbesondere die Warmwasserströme lassen sich dann feinfühlig regulieren, wenn der Wärmepuffer mit dem Zusatzheizer über ein 3- Wege- Mischventil verbunden ist.
Die Kontrolle des Wärmepuffers gelingt, wenn er mindestens einen oberen und/oder mindestens einen unteren Temperatursensor aufweist. Über den oberen Temperatursensor kann insbesondere der Warmwasserbereich des Wärmepuffers überwacht werden, während ein weiterer Temperatursensor im unteren, kalten Bereich angeordnet ist.
Bevorzugt kann der Zusatzheizer direkt und/oder indirekt mit einem
Brauchwasserbehälter und/oder einem oder mehreren Heizkreisen verbunden sein.
Die Effizienz der Heizungsanlage lässt sich weiter steigern, wenn die Kraft- Wärme-Kopplungsanlage mindestens einen Reformer zum Aufspalten zugeführten Brennstoffs besitzt, dem zusätzlich Wasser zuführbar ist. Unter einem Reformer wird eine Einrichtung verstanden, der beispielsweise Erdgas zugeführt werden kann, und die zumindest teilweise das Erdgas in Wasserstoff, Kohlenwasserstoff, Kohlenmonoxid und/oder Kohlendioxid transformiert werden kann.
Wird das, insbesondere dem Reformer zuführbare Wasser als Kondenswasser aus mindestens einem Wärmetauscher der Heizungsanlage gewonnen und einem Kondenswasserbehälter zugeführt, kann auf einen äußeren
Wasseranschluss für die Kraft- Wärme- Kopplungsanlage ganz oder teilweise verzichtet werden.
Die zur Verfügung stehende Kondenswassermenge im Kondenswasserbehälter lässt sich einfach ermitteln, wenn der Kondenswasserbehälter einen
Füllstandssensor aufweist.
Eine Effizienzsteigerung wird auch durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Heizungsanlage, die mindestens eine Kraft-Wärme- Kopplungsanlage, mindestens einen Zusatzheizer und mindestens einen
Wärmepuffer aufweist, dann erreicht, wenn der Zusatzheizer warmes Heizwasser nur dann vom Wärmepuffer bezieht, wenn die Rücklauftemperatur des beim
Zusatzheizer ankommenden Heizwassers kleiner ist als eine Temperatur in einem oberen Bereich des Wärmepuffers.
Ferner gelingt die Effizienzsteigerung beim Betreiben einer Heizungsanlage, d mindestens eine Kraft- Wärme- Kopplungsanlage, mindestens einen Zusatzhei und mindestens einen Wärmepuffer aufweist, dann, wenn der Zusatzheizer warmes Heizwasser nur dann vom Wärmepuffer bezieht, wenn die
Rücklauftemperatur des beim Zusatzheizer ankommenden Heizwassers kleiner ist als eine Temperatur in einem unteren Bereich des Wärmepuffers.
Außerdem wird eine Effizienzsteigerung auch durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Heizungsanlage, die mindestens eine Kraft- Wärme-Kopplungsanlage, mindestens einen Zusatzheizer und mindestens einen Wärmepuffer aufweist, erreicht, wenn die Kraft- Wärme- Kopplungsanlage eine elektrische Leistung bereitzustellen vermag und mit hoher, insbesondere maximaler elektrischer Leistung betrieben wird, solange die Temperatur in einem unteren Bereich des Wärmepuffers kleiner 50 °C, vorzugsweise kleiner 45 °C ist.
Darüber hinaus wird eine Effizienzsteigerung auch durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Heizungsanlage, die mindestens eine Kraft- Wärme-Kopplungsanlage, mindestens einen Zusatzheizer und mindestens einen Wärmepuffer aufweist, erreicht, wenn die Kraft- Wärme- Kopplungsanlage eine elektrische Leistung bereitzustellen vermag und mit hoher, insbesondere maximaler elektrischer Leistung betrieben wird, solange die Temperatur in einem oberen Bereich des Wärmepuffers kleiner 70 °C, vorzugsweise kleiner 65 °C ist.
Zusätzlich kann eine Effizienzsteigerung auch durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Heizungsanlage, die mindestens eine Kraft- Wärme-Kopplungsanlage, mindestens einen Zusatzheizer und mindestens einen Wärmepuffer aufweist, erreicht werden, wenn die Kraft- Wärme- Kopplungsanlage eine elektrische Leistung bereitzustellen vermag und mit hoher, insbesondere maximaler elektrischer Leistung betrieben wird, solange Kondenswasser dem Kondenswasserbehälter entnommen und insbesondere dem Reformer zugeführt werden kann.
Die erfindungsgemäßen Verfahren können auch kombiniert werden und eignen sich bevorzugt zum Betreiben einer der vorgenannten Heizungsanlagen. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in Kombination erfindungswesentlich sein. Bei der Brennstoffzelle kann es sich um eine SOFC (Solid Oxid Fuel Cell) handeln. Hierbei kann die Brennstoffzellenanlage mehrere Brennstoffzellen aufweisen, die zu einem Brennstoffzellenstapel oder zu einem Brennstoffzellenbündel zusammen gefasst sein können. Bei dem ersten
Brennstoff kann es sich um Erdgas, Biogas, reines Methan oder längerkettige Kohlenwasserstoffe wie Propan, Diesel, Benzin, Kerosin, Flüssiggas oder Heizöl handeln. Alternativ kann der erste Brennstoff Methanol oder ein längerkettiger Alkohol sein. Der erste Brennstoff kann vor dem Eintritt in die Brennstoffzelle oder in der Brennstoffzelle teilweise oder vollständig reformiert werden. Hierbei entsteht ein Brennstoff, das reich an Wasserstoff und/oder Kohlenmonoxid ist. Unter dem ersten Brennstoff wird sowohl der reformierte als auch der
unreformierte Brennstoff verstanden. Ein Teil der in der Brennstoffzelle und/oder im Nachbrenner erzeugten Wärme kann für die Reformierung benötigt werden.
Es kann sein, dass ein dritter Anteil des aus der Brennstoffzelle austretenden ersten Brennstoffes der Brennstoffzelle durch eine Rezirkulation wieder zur Verfügung gestellt wird. Der zweite Anteil des ersten Brennstoffes wird somit um den dritten Anteil vermindert. Bei dem zweiten Anteil, der die Brennstoffzelle ohne Umsetzung verlässt und im Nachbrenner verbrannt wird, muss es sich also nicht um den vollständigen, in der Brennstoffzelle nicht umgesetzten Anteil handeln. Der dritte Anteil kann ebenfalls gemäß dem Wärmebedarf eingestellt werden und insbesondere bei einem steigenden Wärmebedarf verringert werden. Der zweite und der dritte Anteil sind ebenfalls auf die Menge des ersten
Brennstoffes, die der Brennstoffzellenanlage zugeführt wird, bezogen.
Bei dem zweiten Brennstoff kann es sich um die dieselbe Substanz wie beim ersten Brennstoff handeln. Der zweite Brennstoff und der erste Brennstoff können aber auch unterschiedliche Substanzen sein. Bei dem Zusatzheizgerät kann es sich um ein Gasbrennwertheizgerät handeln.
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu den Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt ist. Sämtliche aus den
Ansprüchen, der Beschreibung oder der Zeichnung hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher
Anordnung und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein. Zeichnung
In der einzigen Figur ist schematisch eine erfindungsgemäße Heizungsanlage dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
In der Figur ist eine Heizungsanlage 10 dargestellt, die eine Kraft-Wärme- Kopplungsanlage in der Form einer Brennstoffzellenanlage 12 aufweist sowie einen Zusatzheizer 14 und einen Wärmespeicher, der als Wärmepuffer 16 ausgelegt ist. Der Wärmepuffer 16 zeichnet sich dadurch aus, dass er ein Wärmespeichermedium, vorzugsweise zirkulierbares Heizungswasser enthält. In diesen Wärmepuffer 16 kann Wärme eingebracht oder entnommen werden unabhängig von der tatsächlichen Bedarfsanforderung. Darin unterscheidet sich der Wärmepuffer 16 von einem Wärmespeicher, der üblicherweise auf einem hohen Temperaturniveau gehalten werden soll, um für Bedarfsspitzenzeiten Wärme vorrätig zu halten. Beim Wärmepuffer 16 ist es so, dass die Wärme möglichst zeitnah abgegeben werden soll, um die Wärmepufferwirkung nämlich das wieder Aufnehmen von Wärme zu ermöglichen.
Im Ausführungsbeispiel ist der Wärmepuffer 16 zwischen die Kraft-Wärme- Kopplungsanlage und den Zusatzheizer 14 geschaltet. Daraus ergibt sich, dass Wärme von der Kraft-Wärme-Kopplungsanlage, also von der
Brennstoffzellenanlage 12 an den Wärmepuffer 16 abgegeben und vom
Zusatzheizer 14 Wärme vom Wärmepuffer 16 aufgenommen werden kann.
Der Wärmepuffer 16 weist einen oberen Bereich 18 und einen unteren Bereich 20 auf, wobei die Bereiche 18, 20 im Inneren des Wärmepuffer 16 mit oder ohne Unterbrechung ineinander übergehen können. Im oberen Bereich 18 weist der
Wärmepuffer 16 zwei Anschlüsse 22 und 24 und im unteren Bereich 20 zwei Anschlüsse 26 und 28 auf.
Die Kraft- Wärme- Kopplungsanlage, also die Brennstoffzellenanlage 12 weist einen Warmwasserausgang 30 auf, der an einen oberen Anschluss 22 des Wärmepuffers 16 sowie einen Kaltwassereingang 32, der an einen unteren Anschluss 26 angeschlossen ist. Dadurch kann die Brennstoffzellenanlage 12 Wärme an den Wärmepuffer 16 kontinuierlich abgeben.
Um ein Zirkulieren des Heizungswassers zu verbessern, ist eine Pumpe 34 vorgesehen. Die Pumpe 34 ist bevorzugt zwischen dem unteren Anschluss 26 und dem Kaltwassereingang 32 angeordnet. Dadurch kann kaltes
Heizungswasser aus dem unteren Bereich 20 des Wärmepuffers 16 heraus gesaugt und in den Kaltwassereingang 32 der Brennstoffzellenanlage 12 gedrückt werden.
Die Pumpe 34 kann natürlich auch zwischen den Warmwasserausgang 30 und dem oberen Anschluss 22 geschaltet sein.
Die in der Figur dargestellte Brennstoffzellenanlage 12 weist einen
Brennstoffeingang 36 auf, der Brennstoff über ein später beschriebenes
Mischventil 38 einem Reformer 40 zu leitet.
In dem Reformer 40 wird der zugeführte Brennstoff, vorzugsweise Erdgas, zumindest teilweise aufgespalten und der Brennstoffzelle 42 zugeführt.
Die Brennstoffzelle 42 weist eine Anode 44 und eine Kathode 46 auf, die durch ein katalytisches Element 48 voneinander getrennt sind. Der vom Reformer 40 aufbereitete Brennstoff wird der Anode 44 der Brennstoffzelle 42 zugeführt, während der Kathode 46 über einen Lufteingang 50 insbesondere Sauerstoff zugeführt wird. Auf den den elektronischen Strom betreffenden Aspekt der Brennstoffzelle 42 soll nicht tiefer eingegangen werden.
Überschüssiger Brennstoff verlässt die Anode 44 durch einen Ausgang 52 hin zu einem Nachbrenner 54. Zwischen der Anode 44 und dem Nachbrenner 54 wird ein Teil des unverbrauchten Brennstoffs zurückgeführt und über das bereits erwähnte Mischventil 38 dem Reformer 40 zugeführt. Die überschüssige Luft, insbesondere Sauerstoff verlässt die Kathode 46 durch einen Ausgang 56 und wird ebenfalls in den Nachbrenner 54 geführt. Im Nachbrenner 54 wird das überschüssige Brennstoff/Luftgemisch verbrannt, so dass heiße Abgase den Nachbrenner 54 über einen Nachbrennerausgang 58 in Richtung auf einen Wärmetauscher 60 verlassen. Der Wärmetauscher 60 ist im Ausführungsbeispiel zwischen den
Kaltwassereingang 32 und den Warmwasserausgang 30 geschaltet und dazu vorgesehen, die erzeugte Wärme in den Wärmepuffer 16 abzugeben. Die Brennstoffzellenanlage 12 kann auf diese Weise als Kraft-Wärme- Kopplungsanlage äußerst effizient betrieben werden, solange zum einen der Strom abgenommen wird bzw. in ein öffentliches Netz eingespeist werden kann und solange die Wärme vom Wärmepuffer 16 aufgenommen wird. Der
Wirkungsgrad dieser Kraft-Wärme- Kopplungsanlage wird durch diese
Maßnahme somit erheblich erhöht.
Die abgekühlten Abgase verlassen den Wärmetauscher 60 über einen Auslass 62. Die Brennstoffzellenanlage 12 weist ferner eine Steuerung 63 auf, über die die einzelnen Komponenten gesteuert werden können. Insbesondere können das Mischventil 38 oder auch ein Verdichter 65, der sich im Lufteingang 50 befindet, angesteuert werden. Auch die Pumpe 34 kann durch die Steuerung 63 je nach Auslegung der Pumpe 34 ein- und ausgeschaltet oder variabel in der Drehzahl angesteuert werden.
Wie erwähnt, weist der Wärmepuffer 16 in einem oberen Bereich 18 mindestens zwei Anschlüssen 22 und 24 und in einem unteren Bereich 20 zwei weitere Anschlüsse 26 und 28 auf. Die Anschlüsse 24 und 28 sind im
Ausführungsbeispiel direkt mit dem Volumen des Wärmepuffers 16 verbunden und nutzen somit das gleiche Heizwasser, das auch den Wärmetauscher 60 zu durchströmen vermag. Diese Anordnung kann jedoch auch so getroffen sein, dass eine durchströmbare Wendel im Wärmepuffer 16 angeordnet ist, die entweder mit den Anschlüssen 22 und 26 oder mit den Anschlüssen 24 und 28 verbunden ist und ansonsten im Volumen des Wärmepuffers 16 einen
Wärmeaustausch gewährleistet.
An die Anschlüsse 24 und 28 ist der Zusatzheizer 14 so angeschlossen, dass der oberen Anschluss 24 mit einem Zulauf 64 und der untere Anschluss 28 mit einem Rücklauf 66 verbunden ist. Der Zusatzheizer 14 weist einen Wärmeblock 68 auf, der das zugeführte Heizwasser erwärmen kann, sofern eine Temperaturerhöhung notwendig ist. Der Wärmeblock 68 kann beispielsweise durch ein Brennwertgerät in der Form eines Gasbrenners mit Wärmeübertragung realisiert sein.
Zwischen dem oberen Ausgang 24 und dem Zulauf 64 ist ein Mischventil 70 geschaltet, das es ermöglicht, Rücklaufwasser aus der Rücklaufleitung 66 dem Zulauf 64 beizumischen. Dazu ist das Mischventil 70 auch mit dem Rücklauf 66 verbunden.
Der Zusatzheizer weist eine Steuerung 69 auf, die den Wärmeblock 68 in an sich bekannter Weise steuert bzw. regelt. Dazu überwacht und beeinflusst die Steuerung 69 in der Figur nicht dargestellte Elemente wie Brennstoffeinlass, Brennstoff- und/oder Zuluftverdichter, Flammenüberwachung und dergleichen mehr.
Die Steuerung 69 ist mit der Steuerung 63 verbunden und kommuniziert beispielsweise über ein Bussystem 71. Die Steuerung 69 und die Steuerung 63 können aber auch in einer einzigen Steuerung verwirklicht sein.
Wird nun das Mischventil 70 so gesteuert, dass der Rücklauf 66 komplett mit dem Zulauf 64 verbunden ist, wird eine Heizwasserströmung durch den unteren Anschluss 28, den Wärmepuffer 16 und den oberen Anschluss 24 unterbunden, weil der Anschluss 24 dann nicht mit dem Zulauf 64 verbunden ist. Es lassen sich jedoch, je nach Ausführung des Mischventils 70 unterschiedliche
Volumenströme variabel zueinander realisieren, das heißt, dass sowohl Heizwasser aus dem Rücklauf 66 direkt in den Zulauf 64 als auch indirekt über den Wärmepuffer 16 gemischt werden kann.
Der Wärmepuffer 16 weist einen oberen Temperatursensor 72 auf, der in der Lage ist die Temperatur des oberen Bereichs 18 zu ermitteln. Der
Temperatursensor 72 kann im Heizwasser oder an einer Außenwand des Wärmepuffers 16 angebracht sein.
Der Wärmepuffer 16 weist einen unteren Temperatursensor 74 auf, der in der Lage ist, die Temperatur des unteren Bereichs 20 zu ermitteln. Der Temperatursensor 74 kann im Heizwasser oder an einer Außenwand des Wärmepuffers 16 angebracht sein.
Im Ausführungsbeispiel ist der obere Temperatursensor 72 und der untere Temperatursensor 74 mit der Steuerung 63 und der Steuerung 69 verbunden.
Der Zusatzheizer 14 ist im Ausführungsbeispiel mit einem Wärmeübertrager 76 verbunden, der seinerseits mit einem Brauchwasserbehälter 78 verbunden ist. Damit ist der Wärmeblock 68 indirekt mit dem Brauchwasserbehälter 78 verbunden. In die Verbindung zwischen dem Wärmeübertrager 76 und dem Brauchwasserbehälter 78 ist eine Pumpe 80 eingebracht, die eine
Brauchwasserzirkulation durch den Wärmeübertrager 76 erzwingen kann. Die Pumpe 80 kann von der Steuerung 69 angesteuert werden.
An den Wärmeblock 68 ist mindestens ein Heizkreis 82 angeschlossen, dessen Vorlauf 84 mit dem Warmwasserausgang 86 des Wärmeblocks 68 verbunden ist. Die Verbindung erfolgt mithilfe eines 3- Wege- Mischventils 88, an das auch der Wärmeübertrager 76 angeschlossen ist.
Ein Rücklauf 90 des Heizkreises 82 ist mit dem Rücklauf 66 verbunden.
Es können auch mehrere Heizkreise 82 vorgesehen sein, die beispielsweise parallel geschaltet sind und jeweils einen entsprechenden Vorlauf 84 und einen entsprechenden Rücklauf 90 aufweisen.
Im oder am Rücklauf 66 bzw. 90 ist ein Temperatursensor 92 angeordnet, der die Rücklauftemperatur überwacht und der mit dem Steuergerät 63 und/oder dem Steuergerät 69 verbunden ist.
Der Wärmetauscher 60 ist so ausgelegt, dass in dem vom Nachbrenner 54 abgegebenen Abgas enthaltenes Kondensat auskondensiert und direkt oder wie im Ausführungsbeispiel über eine Leitung 94 an einen Kondensatwasserbehälter 96 abgegeben wird. Prinzipiell ist es denkbar, Kondensat auch von anderen Wärmeübertragern, beispielsweise dem Wärmeübertrager 88, aufzufangen und dem Kondensatwasserbehälter 96 zuzuführen. Da das Kondensat jedoch weiter verwendet werden soll, ist der Reinheit des Kondensats besondere Aufmerksamkeit zu widmen und das Kondensat vom Wärmeübertrager 88 ist ggf. zu reinigen.
Der Kondensatwasserbehälter 96 ist mit dem Reformer 40 verbunden und kann an diesen Kondensat abgeben, das für die Aufspaltung des zugeführten
Brennstoffs benötigt wird.
Am Kondensatwasserbehälter 96 ist ein Füllstandssensor 98 angebracht, der mit der Steuerung 63 verbunden ist. Die Steuerung 63 erhält so die Information, ob für den Reformprozess innerhalb des Reformers 40 benötigtes Kondensat in ausreichender Menge vorhanden ist, oder ob die Brennstoffzellenanlage 12 auf einen anderen Betriebspunkt geführt werden muss.
Bei der Ermittlung des Betriebspunktes wird die Erkenntnis herangezogen, dass die Wasserbilanz der Brennstoffzelle, also die Differenz von auskondensiertem Wasser und von im Reformer benötigtem Wasser, oberhalb einer
Grenztemperatur im Kaltwassereingang 32 des Wärmetauschers 60 negativ wird. D.h., je höher die Leistung der Brennstoffanlage ist, umso mehr Kondensat muss dem Reformer 40 zugeführt werden, was aber nicht in gleichem Maß im
Wärmetauscher 60 anfällt. Unterhalb der Grenztemperatur kondensiert mehr Wasser aus, als der Reformer 40 benötigt. Wird als Brennstoff Erdgas
verwendet, liegt die Grenztemperatur zwischen 40 °C und 60 °C.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer Heizanlage 10 mit mindestens einer Kraft- Wärme- Kopplungsanlage, insbesondere in der Form einer Brennstoffzellenanlage 12, ferner mit mindestens einem Zusatzheizer 14 und mindestens einem Wärmepuffer 16, gemäß dem der Zusatzheizer 14 warmes Heizwasser nur dann vom Wärmepuffer 16 bezieht, wenn die
Rücklauftemperatur des beim Zusatzheizer 14 ankommenden Heizwassers kleiner ist als eine Temperatur in einem oberen Bereich 18 des Wärmepuffers 16.
Dadurch ist sichergestellt, dass der Wärmepuffer 16 nicht über den Zusatzheizer 14 aufgewärmt wird. Das Mischventil 70 wird dabei so angesteuert, dass zumindest wenn die mit dem Temperatursensor 92 gemessene Temperatur im Rücklauf 66 höher ist als die mit dem Temperatursensor 72 gemessene Temperatur im oberen Bereich 18 des Wärmepuffers 16, kein Heizwasser durch den Wärmepuffer 16 geleitet und dem Zusatzheizer 14 zugeführt wird.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer Heizanlage 10 mit mindestens einer Kraft- Wärme- Kopplungsanlage, insbesondere in der Form einer Brennstoffzellenanlage 12, ferner mit mindestens einem Zusatzheizer 14 und mindestens einem Wärmepuffer 16, gemäß dem der Zusatzheizer 14 warmes Heizwasser nur dann vom Wärmepuffer 16 bezieht, wenn die
Rücklauftemperatur des beim Zusatzheizer 14 ankommenden Heizwassers kleiner ist als eine Temperatur in einem unteren Bereich 20 des Wärmepuffers 16.
Damit ist eine Erwärmung des Wärmepuffers 16 durch den Zusatzheizer 14 gänzlich ausgeschlossen. Das Mischventil 70 wird dabei so angesteuert, dass zumindest wenn die mit dem Temperatursensor 92 gemessene Temperatur im Rücklauf 66 höher ist als die mit dem Temperatursensor 74 gemessene
Temperatur im unteren Bereich 20 des Wärmepuffers 16 kein Heizwasser durch den Wärmepuffer 16 geleitet und dem Zusatzheizer 14 zugeführt wird.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer Heizanlage 10 mit mindestens einer Kraft- Wärme- Kopplungsanlage, insbesondere in der Form einer Brennstoffzellenanlage 12, ferner mit mindestens einem Zusatzheizer 14 und mindestens einem Wärmepuffer 16, gemäß dem die Kraft-Wärme- Kopplungsanlage eine elektrische Leistung bereitzustellen vermag und mit hoher, insbesondere maximaler elektrischer Leistung betrieben wird, solange die Temperatur in einem unteren Bereich 20 des Wärmepuffers 16 kleiner 50 °C, vorzugsweise kleiner 45 °C liegt.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer Heizanlage 10 mit mindestens einer Kraft- Wärme- Kopplungsanlage, insbesondere in der Form einer Brennstoffzellenanlage 12, ferner mit mindestens einem Zusatzheizer 14 und mindestens einem Wärmepuffer 16, gemäß dem die Kraft-Wärme- Kopplungsanlage eine elektrische Leistung bereitzustellen vermag und mit hoher, insbesondere maximaler elektrischer Leistung betrieben wird, solange die Temperatur in einem oberen Bereich 18 des Wärmepuffers 16 kleiner 70 °C, vorzugsweise kleiner 65 °C ist. Die Brennstoffzelle 42 kann in einem Bereich ihrer elektrischen Leistung von typischerweise 100 % bis 30 % modulierend betrieben werden. Die
Regelstrategie sieht vor, dass beim Betrieb ein möglichst hoher elektrischer Wirkungsgrad bei gleichzeitigem Nutzen der thermischen Energie erzielt wird. Die thermische Energie wird für das Heizen bzw. die Warmwasserbereitung genutzt. Der Strom wird vom Inhaber entweder selbst genutzt soweit Bedarf besteht oder in das öffentliche Stromnetz eingespeist. Ist die Temperatur in einem unteren Bereich 20 des Wärmepuffers 16 kleiner 50 °C, vorzugsweise kleiner 45 °C, und/oder die Temperatur in einem oberen Bereich 18 des
Wärmepuffers 16 kleiner 70 °C, vorzugsweise kleiner 65 °C, kann die
Brennstoffzelle 42 mit maximaler elektrischer Leistung betrieben werden. Steigt die Temperatur im unteren Bereich 20 bzw. im oberen Bereich 18 über die genannten Werte, wird die Brennstoffzelle 42 so betrieben, dass möglichst wenig Wärme abgegeben wird. Dadurch wird sichergestellt, dass die Brennstoffzelle 42 insgesamt mit möglichst langer maximaler Leistung betrieben werden kann, wodurch der elektrische Wirkungsgrad der Brennstoffzelle steigt sowie die Alterung der Brennstoffzelle verringert wird.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer Heizanlage 10 mit mindestens einer Kraft- Wärme- Kopplungsanlage, insbesondere in der Form einer Brennstoffzellenanlage 12, ferner mit mindestens einem Zusatzheizer 14 und mindestens einem Wärmepuffer 16, gemäß dem die Kraft-Wärme- Kopplungsanlage eine elektrische Leistung bereitzustellen vermag und mit hoher, insbesondere maximaler elektrischer Leistung betrieben wird, solange
Kondenswasser dem Kondensatwasserbehälter 96 entnommen werden kann.
Solange dem Reformer 40 zuführbares Kondenswasser zur Verfügung steht, kann die Brennstoffzelle 42 bei maximaler Leistung betrieben werden. Dies bedeutet, dass der Brennstoffzelle 42 mehr als ausreichend Brennstoff und Luft zugeführt werden kann, wodurch eine optimale Durchmischung im Innern der Brennstoffzelle 42 insbesondere im Bereich der Anode 44 ermöglicht ist. Auf diese Weise werden über- oder unterversorgte Bereiche und damit wärmere oder kühlere Spots, die eine schnellere Alterung herbeiführen, vermieden. Darüber hinaus steigt der Gesamtwirkungsgrad der Heizanlage 10. Durch die besondere Ausbildung und insbesondere Einbindung des
Wärmepuffers 16 wird es möglich, die Brennstoffzellenanlage 12 sowohl bezüglich ihrer elektrischen Leistung als auch bezüglich der Wärmeabgabe und damit bezüglich des Gesamtwirkungsgrades gegenüber einer Anlage mit einem herkömmlichen Warmwasserkessel zu verbessern. Gerade die Eigenschaft des
Wärmepuffers 16 Wärme unabhängig vom tatsächlichen Bedarf aufzunehmen, kommt dem Gesamtwirkungsgrad zugute. Die Steuerungen 63 und 69 sind dabei so ausgelegt, dass der Wärmepuffer 16 Wärme aus seinem oberen Bereich 18 abgibt sobald dies durch das Wärmeanforderungsprofil möglich ist.

Claims

Ansprüche
1. Heizungsanlage (10) mit mindestens einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage, mindestens einem Zusatzheizer (14) und mindestens einem Wärmespeicher, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher als Wärmepuffer (16) ausgelegt ist.
2. Heizungsanlage (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmepuffer (16) zwischen die Kraft- Wärme- Kopplungsanlage und den Zusatzheizer (14) geschaltet ist.
3. Heizungsanlage (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmepuffer (16) einen oberen Bereich (18) mit mindestens zwei
Anschlüssen (22,24) und einen unteren Bereich (20) mit mindestens zwei Anschlüssen (26, 28) aufweist und die Kraft-Wärme-Kopplungsanlage mit einem Warmwasserausgang (30) an einen oberen Anschluss (22) des Wärmepuffers (16) und mit einem Kaltwassereingang (32) an einen unteren Anschluss (26) des Wärmepuffers (16) angeschlossen ist.
4. Heizungsanlage (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmepuffer (16) einen oberen Bereich (18) mit mindestens zwei Anschlüssen (22, 24) und einen unteren Bereich (20) mit mindestens zwei Anschlüssen (26, 28) aufweist und der Zusatzheizer (14) mit einem Zulauf (64) an einen oberen Anschluss (24) des Wärmepuffers (16) und mit einem Rücklauf (66) an einen unteren Anschluss (28) des Wärmepuffers (16) angeschlossen ist.
5. Heizungsanlage (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass der Wärmepuffer (16) mit dem Zusatzheizer (14) über ein 3- Wege- Mischventil (70) verbunden ist.
6. Heizungsanlage (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmepuffer (16) mindestens einen oberen und/oder mindestens einen unteren Temperatursensor (72, 74) aufweist.
7. Heizungsanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzheizer (14) direkt und/oder indirekt mit einem Brauchwasserbehälter (78) und/oder einem oder mehreren
Heizkreisen (79) verbunden ist.
8. Heizungsanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft- Wärme- Kopplungsanlage mindesten einen Reformer (40) zum Aufspalten zugeführten Brennstoffes besitzt, dem zusätzlich Wasser zuführbar ist.
9. Heizungsanlage (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser als Kondenswasser aus mindestens einem Wärmetauscher (60, 76) der Heizungsanlage (10) gewonnen und einem Kondenswasserbehälter (96) zuführbar ist.
10. Heizungsanlage (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondenswasserbehälter (96) einen Füllstandssensor (98) aufweist.
11. Verfahren zum Betreiben einer Heizungsanlage (10) mit mindestens einer Kraft- Wärme- Kopplungsanlage, mindestens einem Zusatzheizer (14) und mindestens einem Wärmepuffer (16), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der
Zusatzheizer (14) warmes Heizwasser nur dann vom Wärmepuffer (16) bezieht, wenn die Rücklauftemperatur des beim Zusatzheizer(14) ankommenden Heizwassers kleiner ist als eine Temperatur in einem oberen Bereich des Wärmepuffers (16).
12. Verfahren zum Betreiben einer Heizungsanlage (10) mit mindestens einer Kraft- Wärme- Kopplungsanlage, mindestens einem Zusatzheizer(14) und mindestens einem Wärmepuffer (16), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der
Zusatzheizer (14) warmes Heizwasser nur dann vom Wärmepuffer (16) bezieht, wenn die Rücklauftemperatur des beim Zusatzheizer (14) ankommenden Heizwassers kleiner ist als eine Temperatur in einem unteren Bereich des Wärmepuffers(16).
13. Verfahren zum Betreiben einer Heizungsanlage(lO) mit mindestens einer Kraft- Wärme- Kopplungsanlage, mindestens einem Zusatzheizer (14) und mindestens einem Wärmepuffer (16), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft- Wärme-Kopplungsanlage eine elektrische Leistung bereitzustellen vermag und mit hoher, insbesondere maximaler elektrischer Leistung betrieben wird, solange die Temperatur in einem unteren Bereich (20) des Wärmepuffers (16) kleiner 50°C, vorzugsweise kleiner 45°C liegt.
14. Verfahren zum Betreiben einer Heizungsanlage (10) mit mindestens einer Kraft- Wärme- Kopplungsanlage, mindestens einem Zusatzheizer (14) und mindestens einem Wärmepuffer (16), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft- Wärme-Kopplungsanlage eine elektrische Leistung bereitzustellen vermag und mit hoher, insbesondere maximaler elektrischer Leistung betrieben wird, solange die Temperatur in einem oberen Bereich (18) des Wärmepuffers (16) kleiner 70°C, vorzugsweise kleiner 65°C liegt.
15. Verfahren zum Betreiben einer Heizungsanlage (10) mit mindestens einer Kraft- Wärme- Kopplungsanlage, mindestens einem Zusatzheizer (14), mindestens einem Wärmepuffer (16) und einem Kondenswasserbehälter, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft- Wärme- Kopplungsanlage eine elektrische Leistung bereitzustellen vermag und mit hoher, insbesondere maximaler elektrischer Leistung betrieben wird, solange Kondenswasser dem
Kondenswasserbehälter entnommen werden kann.
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