EP3900091A1 - Energiesystem und verfahren zur druckanpassung in einem energiesystem - Google Patents

Energiesystem und verfahren zur druckanpassung in einem energiesystem

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Publication number
EP3900091A1
EP3900091A1 EP19835274.2A EP19835274A EP3900091A1 EP 3900091 A1 EP3900091 A1 EP 3900091A1 EP 19835274 A EP19835274 A EP 19835274A EP 3900091 A1 EP3900091 A1 EP 3900091A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
energy
pressure
energy system
line
energy source
Prior art date
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Pending
Application number
EP19835274.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hendrik Leverenz
Andreas Hierl
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.)
HPS HOME POWER SOLUTIONS AG
Original Assignee
HPS Home Power Solutions GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by HPS Home Power Solutions GmbH filed Critical HPS Home Power Solutions GmbH
Publication of EP3900091A1 publication Critical patent/EP3900091A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M16/00—Structural combinations of different types of electrochemical generators
    • H01M16/003—Structural combinations of different types of electrochemical generators of fuel cells with other electrochemical devices, e.g. capacitors, electrolysers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0656—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants by electrochemical means
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/10—Fuel cells in stationary systems, e.g. emergency power source in plant
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02B90/10—Applications of fuel cells in buildings
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/34—Hydrogen distribution
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention initially relates to an energy system according to the preamble of independent patent claim 1. Furthermore, the invention also relates to a method for pressure adjustment in an energy system according to the preamble of independent patent claim 10.
  • Energy systems of the generic type are already known in a variety of ways in the prior art. Such systems typically generate and distribute energy for a wide variety of applications.
  • energy is generated in a first energy source.
  • the energy generated can be, for example, hydrogen H2.
  • the hydrogen is generated for example by means of electrolysis and in a second energy source.
  • Energy source device which is, for example, a storage device. This is, for example, a first mode of operation of the energy system. During the operation of the energy system, the hydrogen is stored out of the storage device and consumed in a first energy sink device. This is, for example, a second mode of operation of the energy system.
  • a first energy sink device is, for example, a fuel cell device. Usually they are
  • Components of the energy system described above are spatially separated from one another and connected to one another via a connecting line device. Both of the above-mentioned modes of operation usually require a different pressure level. While in the first mode of operation with electrolysis prevail, for example, pressures of 20 to 60 bar, the operation of the fuel cell device is in the second
  • Energy source device transported with the pending first pressure.
  • the hydrogen stored in the second energy source device is transported with the required second pressure to the first energy sink device and consumed there via second line sections of the connecting line device, which are used only for storage.
  • Such a known energy system is disclosed, for example, in DE 103 07 112 A1.
  • a disadvantage of this known energy system is that the connecting line device has different line sections because of the different pressures, each of which only in the first mode of operation or in the second mode of operation of the
  • Connection line device can give.
  • the number of required components of the energy system is high, which makes the energy system even more expensive.
  • bidirectional lines that can be flowed through in different directions.
  • the bidirectional lines have only one pressure level. This means that different operating pressures are only regulated after the bidirectional line, for example via separate pressure regulators or the like.
  • EP 3 091 176 A1 has already disclosed that bidirectional operation of gas transmission lines in gas transmission networks using a
  • Wiring lines can be reduced.
  • this solution cannot easily be transferred to the energy system of the type mentioned at the beginning.
  • the present invention is therefore based on the object of developing an energy system of the type mentioned at the outset in such a way that the disadvantages mentioned can be avoided.
  • the number of components of the energy system preferably also the number of line sections required for the different operating modes, should be reduced as much as possible.
  • a correspondingly improved method for pressure adjustment in an energy system is to be provided.
  • the basic idea of the present invention is that a
  • Connection line device with bidirectional line sections, in particular a bidirectional (H2) storage line, with a direction-dependent pressure level and a method for pressure adjustment is provided.
  • H2 bidirectional
  • the energy system is in particular a whole consisting of several components, the components being connected to one another to form a dedicated unit.
  • the energy system is a system for generating or providing energy, preferably electrical energy.
  • the invention is not limited to certain types of
  • the energy system is a house energy system.
  • House energy systems are generally known from the prior art and are used to supply houses, for example
  • Low-energy houses passive houses or zero-energy houses, with energy in the form of heat and in particular in the form of electricity, for example electricity from regenerative energy sources such as, for example, photovoitaic (PV) generators or
  • Such a house energy system creates the basis for ensuring that the energy requirements of a house, especially a low-energy house, are
  • Passive house or a zero-energy house can be completely covered from renewable energy sources in terms of both electricity and heat requirements and thus there is complete CO-free operation. At least, however, the electricity requirement of a house can be covered almost entirely from renewable energy sources, in particular by means of a PV generator and / or a small wind turbine, in the sense of an intended increase in self-consumption.
  • a house energy system of the type mentioned has the following basic features:
  • a DC feed point preferably designed for a nominal voltage of 48 volts, and / or an AC feed point, preferably designed for a voltage of 230 Volts or 110 volts, the DC feed-in point and / or the AC feed-in point being connected at least temporarily to an electrical consumer which has a consumption power during operation,
  • a PV generator which is electrically connected to the DC feed point at least temporarily, for generating an electrical PV power
  • a fuel cell unit electrically connected to the DC feed point or to the AC feed point, at least temporarily, for generating an electrical fuel cell power
  • a hydrogen tank in particular as a long-term energy store, which is at least temporarily fluid-connected to the fuel cell unit and the electrolysis unit and is designed to store hydrogen to be generated by the electrolysis unit and consumed by the fuel cell unit
  • a storage battery unit in particular as a short-term energy store that is electrically connected to the DC feed point is connected or to be connected, so that an electrical PV power and an electrical fuel cell power can be stored in the storage battery unit and an electrical electrolysis input power and a consumption power can be taken from the storage battery unit;
  • control module for controlling the home energy system.
  • the inventive system initially has a first energy source device.
  • the first energy source device is designed to generate energy or
  • an energy source device is characterized in particular by the fact that more flows out of it than flows into it. The generation or production of the energy can take place in different ways.
  • the first energy source device can be designed as an electrolysis device.
  • the first energy source device in particular in the form of an electrolysis device, is designed to produce hydrogen H 2.
  • electrolysis a chemical reaction is generally carried out using electrical current
  • the energy system has a first energy sink device.
  • energy sink device is characterized in particular by the fact that more flows into it than flows out.
  • the first energy sink device is a fuel cell device.
  • Fuel cell devices per se are familiar to the person skilled in the art. Generally speaking, fuel cells convert a supplied fuel, for example hydrogen, and an oxidizing agent into electrical energy. The invention is not limited to this specific embodiment.
  • the energy system has a second energy source device.
  • This is preferably a storage device, in particular a high-pressure storage device, in which the energy generated in the first energy source device, for example hydrogen, is stored until it is used, for example in the first energy sink device, for example a fuel cell device.
  • the second energy source device is a high-pressure accumulator, storage with pressures up to 700 bar is preferred.
  • the energy system of the present invention has a connecting line device via which the first energy source device is connected to the second energy source device and the second energy source device is connected to the first energy sink device.
  • the energy system further has a second energy sink device which is connected to the valve device via a valve device
  • the valve device is in particular a shut-off valve, for example a solenoid valve, by means of which a
  • a valve device as described in the context of the present invention is preferably a component which is arranged behind an energy source device. In a preferred one
  • the second energy sink device is designed as a medium pressure storage device, in particular for the intermediate storage of hydrogen. In particular, storage with pressures between 20 and 60 bar is preferred in the second energy sink device. If such a second energy sink device is used, the energy generated in the first energy source device, for example hydrogen, first becomes transported to the second energy sink device and buffered there before being stored from there in the second energy source device, for example in a high-pressure storage device.
  • connection line device preferably comprises all of the line sections present in the energy system.
  • the connecting line device or its line sections are preferably designed in the form of pipelines and / or hose lines.
  • a line section preferably represents a section of the total
  • Connection line device In the simplest case, one
  • connection line device on a single line section.
  • the connecting line device has two or more line sections. Individual line sections can be called unidirectional
  • a bidirectional line section is a line section that is used bidirectionally, that is to say in two directions.
  • a bidirectional line section is characterized in that it is used mutually and that in the operation of the energy system there is a flow in both directions of the line section. The number of line sections required can thus be significantly reduced.
  • Line sections when changing the modes of operation a pressure change, in particular a pressure reduction required, for example from the first mode of operation electrolysis with 20 to 60 bar to the second mode of operation fuel cell operation at less than 20 bar.
  • connection line device is connected to at least one pressure adjustment device.
  • the invention is not restricted to certain types of pressure adjustment devices.
  • the pressure adjustment device must be designed in such a way that it is able to insert into the bidirectional line sections of the connection line device
  • the pressure adjustment device consequently serves in particular to reduce the pressure in the line sections at the various pressures
  • the pressure adjustment device is used as a device for reducing the pressure in the bidirectional line sections
  • Pressure adjustment device is to be illustrated by way of example using the following example.
  • the energy system is used to produce hydrogen by means of electrolysis, which is subsequently stored in a storage device before it is subsequently used in a fuel cell device in order to generate electrical current, the hydrogen produced in the electrolysis device is transported to
  • Storage device is transported to the fuel cell device, they can
  • Embodiments is limited. It is generally sufficient if a single pressure adjustment device is implemented. Of course, versions are also conceivable in which two or more pressure adjustment devices are implemented at the same time. In the case of a plurality of pressure adjustment devices, these can either be of the same type or can be designed differently. Combinations of different pressure adjustment devices are therefore also preferred.
  • the pressure adjustment device has a
  • Compressor device which is arranged in the connecting line device and is connected to a storage device, in particular to the second energy source device.
  • the compressor device can be connected to a storage device provided specifically for pressure adjustment.
  • preferred embodiment is the compressor device with the second
  • Connection line device in particular volume located in the bidirectional line sections of the connection line device into the second
  • Connection line device for example in its bidirectional line sections, is located via the compressor device in the second energy source device, which is preferably a storage device, in particular one
  • High-pressure storage device acts, or can be stored in the storage device described specifically for this purpose. This preferably takes place until the pressure in the connecting line device, in particular in its bidirectional line sections, is only so great that the energy system can be operated in the second operating mode, that is to say at a pressure of less than 20 bar.
  • the storage device preferably the second energy source device, can likewise be a component of the pressure adjustment device.
  • the compressor device can be an independent one
  • Compressor device in the energy system act only for the purpose of
  • the compressor device is the
  • Pressure adjustment device in particular also the one
  • Compressor device used for the storage of the first
  • Energy source device generated energy such as hydrogen
  • the pressure adjustment device is implemented by a functionality of a component of the energy system, which also performs another functionality during operation of the energy system. This applies in particular when the second energy source device is assigned to the pressure adjustment device.
  • the compressor device is preferably a piston compressor.
  • the pressure adjustment device is designed as an additional expansion volume which is connected to the valve device via a valve device Connection line device is connected.
  • the additional expansion volume is preferably larger, in particular many times larger than the volume of the
  • Connection line device in particular as the volume of the bidirectional
  • Expansion volume is therefore an additional volume that, if necessary, with the connection line device, in particular with its bidirectional
  • the additional expansion volume preferably has the pressure of the first energy sink device, for example the pressure of the fuel cell device in the first operating mode of the energy system is the additional expansion volume from the connecting line device via the
  • Valve device which is preferably a check valve, separated. If the operating pressure of the second mode of operation of the energy system is required, this can be done
  • Volume can be switched on via the valve device of the connecting line device. It follows a mixed pressure / line pressure.
  • the energy system has a flushing device which is provided in such a way that it is able to flush the first energy source device and / or the first energy sink device.
  • the flushing device preferably has a storage chamber, which is also referred to as a purge chamber , and the
  • the flushing device in particular its storage chamber, functions as the pressure adjustment device, the flushing device, in particular the storage chamber, via a valve device, in particular a check valve, with the
  • connection line device in particular connected to the bidirectional line sections of the connection line device.
  • the line pressure is successively reduced, for example by adding hydrogen via the
  • Rinsing device is released in a controlled manner.
  • this embodiment is not a closed system and is associated with a loss of hydrogen.
  • Check valve device is preferably a component which is in front of a
  • the line section of the connecting line device connected thereto is fluidically closed in one direction, while the line section in the other direction is released in terms of flow technology, that is to say open.
  • the check valve device in particular enables the volume located in the connecting line device to flow from a bidirectional line section into a unidirectional line section, but cannot flow back from there.
  • At least one pressure measuring device is assigned to the connecting line device for determining the pressure prevailing in the connecting line device, in particular in its bidirectional line sections.
  • the pressure measuring device can be designed, for example, as a pressure sensor. It can either measure the pressure directly or determine the pressure indirectly from other parameters. Pressure measuring devices are known per se. In particular, it is the function of the pressure measuring device to determine whether a pressure adjustment by the
  • Pressure adjustment device the pressure required for the second mode of operation of the energy system, in particular lower pressure, has been reached.
  • a pressure measuring device is generally sufficient. However, several can be used
  • Pressure measuring devices can be provided, which are then preferably distributed at various points in the energy system, in particular in its connecting line device.
  • the method is preferably carried out in an energy system according to the first aspect of the invention, so that with regard to the design of the method, in particular with regard to its sequence and mode of operation, in order to avoid repetition, reference is made here in full to the statements relating to the first aspect of the invention.
  • the method is used to adjust the line pressure in a
  • Connection line device of an energy system in particular one
  • the energy system having a first energy source device, which via the connecting line device with a second
  • Energy source device is connected, and wherein the energy system is a first
  • Has energy sink device which is connected to the second energy source device via the connecting line device.
  • the method is characterized by the following steps:
  • the first mode of operation of the energy system In a first mode of operation of the energy system, the first
  • Energy source device provided energy with a first pressure on the
  • connection line device transported to the second energy source device and stored there, wherein at least individual sections of the connection line device are designed as bidirectional line sections.
  • the first pressure prevails in the connecting line device, in particular in the bidirectional line sections of the connecting line device.
  • the first pressure is preferably in the range between 20 and 60 bar.
  • energy provided by the second energy source device is supplied with a second pressure, which is different from the first pressure, via the bidirectional line sections
  • connection line device transported to the first energy sink device.
  • the second pressure is in particular the pressure at which the first energy sink device can be operated.
  • the connection line device in particular in the bidirectional line sections of the connection line device, therefore has the second pressure.
  • the second pressure is preferably less than 20 bar.
  • a direction-dependent pressure level is set in the bidirectional line sections of the connection line device via a pressure adjustment device which is connected to the connection line device.
  • the line pressure prevailing in the first mode of operation in the form of the first pressure in the bidirectional line sections becomes the line pressure prevailing in the second mode of operation Form of the second pressure reduced. This is done in particular in such a way that the volume at least in the bidirectional sections of the connecting line device is reduced by the pressure adjustment device to such an extent that the remaining volume is relaxed to such an extent that it only has the second pressure.
  • the method is preferably designed such that in the first operating mode of the energy system the energy provided by the first energy source device is transported with the first pressure to the second energy sink device via the connecting line device and is cached there and that then the one in the second
  • Energy sink device temporarily stored energy from there to the second
  • a compressor device is preferably arranged in the connecting line device, so that the method in a preferred development is characterized in that in the first mode of operation of the energy system, energy provided by the first energy source device is transported with the first pressure via the connecting line device to the compressor device and via this in the second Energy source device is stored.
  • the compressor device functions as a pressure adjustment device, with a direction-dependent pressure level in the bidirectional ones depending on the mode of operation of the energy system via the compressor device
  • Line sections of the connecting line device is set. Preference is given to a change from the first operating mode of the energy system to the second
  • Compressor device is stored in the second energy source device until the second pressure in the bidirectional line sections of the
  • Connection line device is reached. This takes place in particular in that the corresponding valve devices are set in a suitable manner.
  • a second energy sink device in the form of an comes in the energy system
  • the energy sink device is preferably separated from the volume in the connecting line device by shutting off the valve device, since otherwise the content of the second energy sink device would also have to be reduced to the second pressure.
  • the method can also be used in the other embodiments described above in connection with the system of the invention, for example by reducing the pressure by means of an additional expansion volume or by reducing the pressure by means of a flushing device, so that with regard to such a process sequence, reference is made here in full to the corresponding statements above is taken and directed.
  • the present invention can basically be applied to all systems with bidirectionally used line and direction-dependent pressure, in particular on
  • FIG. 1 shows a schematic view of an energy system according to the invention, in which the method according to the invention can be carried out;
  • Figure 2 shows the sequence of the method according to the invention, a first
  • FIG. 3 shows the sequence of the method according to the invention, the transition
  • FIG. 4 shows the sequence of the method according to the invention, the second
  • FIG. 1 to 4 show an energy system 10 which is used as a house energy system.
  • FIG. 1 the basic structure of the energy system 10 is first described. The method according to the invention is used in the energy system 10
  • the energy system 10 initially has a first subsystem 20 which is designed as an internal system. That means the first
  • Subsystem 20 is located inside the house.
  • the energy system 10 has a second subsystem 30 in the form of an external system. This means that the second subsystem 30 is outside the house.
  • the first subsystem 20 has a first energy source device 21, which is an electrolysis device for producing hydrogen.
  • the first subsystem 20 has a first energy sink device 22, which is a fuel cell device.
  • the second subsystem 30 has a second one
  • Energy source device 31 which is a high-pressure storage device.
  • the generated hydrogen is stored in the high-pressure storage device at up to 700 bar.
  • the second subsystem 30 has a second one
  • Energy sink device 32 in the form of a medium pressure storage device in which the hydrogen generated is temporarily stored at pressures between 20 and 30 bar before it is finally stored in the high pressure storage device.
  • the individual components of the energy system 10 are via a
  • Connection line device 40 connected to each other, which consists of a number of different line sections 40a to 40k. A first number of
  • Line sections 40a to 40e are designed as so-called bidirectional line sections. This means that the line sections 40a to 40e are flowed through in both directions during the operation of the energy system 10.
  • a flushing device 23 is provided with a flushing chamber, which is connected via a line section 40g to the two aforementioned components.
  • the hydrogen produced in the first energy source device 21 by means of electrolysis leaves the first energy source device 21 via a line section 40f which merges into the bidirectional line section 40e. In the two line sections 40f and 40e there are one in the flow direction of the hydrogen generated
  • the filter device 25 and the dryer device 26 can alternatively also be located in the second subsystem 30.
  • the generated hydrogen flows from the dryer device 26 via the bidirectional line sections 40a and 40c to a further check valve device 35, which marks one end of the line section 40c. From there, the generated hydrogen flows via a line section 40h and 40i into the second energy sink device 32, which acts as a medium-pressure accumulator and is connected to a further line section 40j via a valve device 33, which is designed in particular as a shut-off valve, for example in the form of a solenoid valve.
  • a valve device 33 which is designed in particular as a shut-off valve, for example in the form of a solenoid valve.
  • the generated hydrogen is stored in the second energy source device 31 via the compressor device 34.
  • This compressor device 34, together with the second energy source device 31, also functions as a pressure adjustment device 50, which is used when carrying out the method according to the invention.
  • Energy sink device 32 temporarily stored hydrogen is stored in the second energy source device 31 when the compressor device 34 is actuated.
  • This production process of the hydrogen up to its storage in the second energy source device 31 represents a first operating mode of the energy system 10.
  • a pressure of 20 to 60 bar prevails in the bidirectional line sections 40a to 40e of the connecting line device 40.
  • Such a pressure also prevails in the second energy sink device 32.
  • the hydrogen which is taken from the second energy sink device 32, which is an intermediate store, is compressed to such an extent via the compressor device 34 that it is at pressures of up to 700 bar in the second Energy source device 31, which is a high-pressure storage device, can be stored.
  • the hydrogen stored in the second energy source device 31 is used for the operation of the first energy sink device 22 in the form of the fuel cell device.
  • the fuel cell device is operated in the second operating mode of the energy system 10. However, the fuel cell device can only operate at pressures below 20 bar.
  • the hydrogen is removed from the second energy source device 31 via a line section 40k, expanded via a relaxation device 36 in the form of a pressure reducer and transported via a bidirectional line section 40d into the bidirectional line section 40a, from where it is via the bidirectional line Line section 40b in the as
  • Fuel cell device designed first energy sink device 22 occurs.
  • Connection line device 40 to a value less than 20 bar takes place via the pressure adjustment device 50. At least one is for measuring the pressure
  • Pressure measuring device 41 for example in the form of a pressure sensor.
  • the energy system 10 shown in FIGS. 1 to 4 represents a sub-area of an overall house energy system, which is an electrically self-sufficient and
  • the multi-hybrid house energy storage system enables the electrical energy generated by a photovoltaic (PV) system, a small wind turbine or the like
  • the system acts as
  • Island system independent of the electrical network. Rather, the system is supposed to guarantee the electrical self-sufficiency of the house, so that no electrical energy has to be drawn from the power grid all year round.
  • the primary task of the house energy system is to make the electrical energy obtained from photovoltaic (PV) modules or the like available to the consumer in the household. Secondarily, at times of low load or high irradiation, excess electrical energy can be temporarily stored in a short-term battery storage.
  • PV photovoltaic
  • the electrical energy can be tertiary in the form of a gas Hydrogen for times of low insolation such as night, winter or the like is stored in the medium to long term and can be made available again at any time using the fuel cell.
  • the system In addition to energy-related tasks, the system also functions as a controlled one
  • Ventilation through a built-in ventilation device Ventilation through a built-in ventilation device.
  • the hydrogen produced in the electrolysis device flows through the hydrogen line into the pressure storage system installed outside.
  • the hydrogen flows from the pressure storage system to the fuel cell device via the hydrogen line.
  • a timely operation of the fuel cell device and electrolysis device is excluded.
  • the entire system is operated centrally via an energy manager with predictive energy management.
  • the second subsystem is basically intended for outdoor use, but can also be set up and operated within a specific area of the house under certain conditions.
  • a first operating mode of the energy system 10 is shown in FIG. If the
  • Electrolysis device acts, is produced, have the bold marked in Figure 2
  • Energy sink device 32 in the form of the medium pressure accumulator a pressure level of 20 to 60 bar.
  • FIG. 3 shows the transition from the first operating mode of the energy system 10 to its second operating mode. By closing the valve device 33, whereby the path into the second energy sink device 32 is completed. By closing the valve device 33, the second energy sink device is decoupled from the connecting line device 40 at this time of the method, so that the hydrogen with the pressure prevailing in the second energy sink device 31 of 20 to 60 bar can remain therein at this pressure.
  • the pressure of the reduced volume is reduced in those line sections of the connecting line device 40 which are marked in bold and dashed lines.
  • the reduced volume is accelerated by the reduced volume. If the fuel cell operating pressure of less than 20 bar has been reached in the bold and dashed line sections of the connecting line device 40, the pressure reduction is complete.
  • FIG. 4 finally shows the second mode of operation of the energy system 10.
  • the initial state is restored by opening the valve device 33 and switching off the compressor device 34.
  • Compressor device 34 which is indicated by the bold line sections of the
  • Connection line device 40 is illustrated. Up to the first energy sink device 22 in the form of the fuel cell device, the bidirectional line sections of the connecting line device 40 continue to have the reduced fuel cell operating pressure of less than 20 bar, which is indicated by the bold and dashed lines
  • first energy source device electrolysis device
  • first energy sink device fuel cell device

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Energiesystem (10) sowie ein Verfahren zur Anpassung des Leitungsdrucks in einem Energiesystem (10). Das Energiesystem (10) weist eine erste Energiequelleneinrichtung (21), eine erste Energiesenkeneinrichtung (22), eine zweite Energiequelleneinrichtung (31) sowie eine Verbindungsleitungseinrichtung (40), über die die erste Energiequelleneirichtung (21) mit der zweiten Energiequelleneinrichtung (31) sowie die zweite Energiequelleneinrichtung (31) mit der ersten Energiesenkeneinrichtung (21) miteinander verbunden sind, auf. Um die Anzahl der Komponenten des Energiesystems (10), vorzugsweise auch die Anzahl der für verschiedene Betriebsweisen des Energiesystems (10) mit unterschiedlichen Druckniveaus erforderlichen Leitungsabschnitte der Verbindungsleitungseinrichtung (40), so gut es geht zu reduzieren, ist vorgesehen, dass zumindest einzelne Abschnitte der Verbindungsleitungseinrichtung (40) als bidirektionale Leitungsabschnitte (40a bis 40e) ausgebildet sind und dass die Verbindungsleitungseinrichtung (40) mit einer Druckanpassungseinrichtung (50) verbunden ist, die derart bereitgestellt ist, dass sie in der Lage ist, in den bidirektionalen Leitungsabschnitten (40a bis 40e) der Verbindungsleitungseinrichtung (40) ein richtungsabhängiges Druckniveau einzustellen.

Description

Beschreibung
Energiesystem und Verfahren zur Druckanpassung in einem Energiesystem
Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein Energiesystem gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Druckanpassung in einem Energiesystem gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 10.
Energiesysteme der gattungsgemäßen Art sind im Stand der Technik bereits auf vielfältige Weise bekannt. Mit derartigen Systemen wird üblicherweise Energie für verschiedenste Anwendungsgebiete erzeugt und bereitgesteilt.
Bei einer bekannten Art solcher Energiesysteme wird in einer ersten Energiequelle Energie erzeugt. Bei der erzeugten Energie kann es sich beispielsweise um Wasserstoff H2 handeln. Der Wasserstoff wird beispielsweise mittels Elektrolyse erzeugt und in einer zweiten
Energiequelleneinrichtung, bei der es sich beispielsweise um eine Speichereinrichtung handelt, gespeichert. Hierbei handelt es sich beispielsweise um eine erste Betriebsweise des Energiesystems. Während des Betriebs des Energiesystems wird der Wasserstoff aus der Speichereinrichtung ausgespeichert und in einer ersten Energiesenkeneinrichtung verbraucht. Hierbei handelt es sich beispielsweise um eine zweite Betriebsweise des Energiesystems. Bei einer solchen ersten Energiesenkeneinrichtung handelt es sich beispielsweise um eine Brennstoffzelleneinrichtung. Üblicherweise sind die
vorbeschriebenen Komponenten des Energiesystems räumlich voneinander getrennt und über eine Verbindungsleitungseinrichtung miteinander verbunden. Beide vorgenannten Betriebsweisen bedürfen üblicherweise eines unterschiedlichen Druckniveaus. Während in der ersten Betriebsweise mit der Elektrolyse beispielsweise Drücke von 20 bis 60 bar vorherrschen, sind für den Betrieb der Brennstoffzelieneinrichtung in der zweiten
Betriebsweise beispielsweise Drücke von kleiner 20 bar erforderlich.
Aus diesem Grund werden bei bekannten Energiesystemen die verschiedenen
Betriebsweisen üblicherweise getrennt voneinander in voneinander getrennten
Leitungsabschnitten der Verbindungsleitungseinrichtung durchgeführt. Über erste Leitungsabschnitte der Verbindungsleitungseinrichtung, die allein zum Einspeichern dienen, wird der erzeugte Wasserstoff von der ersten Energiequelleneinrichtung zur zweiten
Energiequelleneinrichtung mit dem dabei anstehenden ersten Druck transportiert. Über zweite Leitungsabschnitte der Verbindungsleitungseinrichtung, die allein zum Ausspeichern dienen, wird der in der zweiten Energiequelleneinrichtung gespeicherte Wasserstoff mit dem dafür erforderlichen zweiten Druck zu der ersten Energiesenkeneinrichtung transportiert und dort verbraucht.
Ein solches bekanntes Energiesystem ist beispielsweise in der DE 103 07 112 A1 offenbart. Nachteilig bei diesem bekannten Energiesystem ist, dass die Verbindungsleitungseinrichtung wegen der unterschiedlichen Drücke unterschiedliche Leitungsabschnitte aufweist, die jeweils nur in der ersten Betriebsweise oder in der zweiten Betriebsweise des
Energiesystems genutzt werden. Das ist konstruktiv aufwändig und wegen der besonderen Anforderungen an die Leitungen auch teuer. Zudem besteht das Problem, dass es, je mehr Leitungsabschnitte vorhanden sind, auch mehr Leckagen in der
Verbindungsleitungseinrichtung geben kann. Außerdem ist die Anzahl der erforderlichen Komponenten des Energiesystems hoch, was das Energiesystem zusätzlich verteuert.
Es besteht deshalb das Bedürfnis, die Anzahl der erforderlichen Komponenten im
Energiesystem zu verringern.
Grundsätzlich ist es hierzu schon bekannt geworden, bidirektionale Leitungen zu verwenden, die wahlweise in verschiedenen Richtungen durchströmt werden können. Bei solchen im allgemeinen Stand der Technik bekannten Lösungen haben die bidirektionalen Leitungen jedoch nur ein Druckniveau. Das bedeutet, dass unterschiedliche Betriebsdrücke erst nach der bidirektionalen Leitung geregelt werden, beispielsweise über separate Druckregler oder dergleichen.
Auf einem anderen technischen Gebiet, nämlich der Speicherung und des Transports von Erdgas ist in der EP 3 091 176 A1 bereits offenbart, dass ein bidirektionaler Betrieb von Gastransportleitungen in Gastransportnetzen unter Verwendung einer
Rotationsströmungsmaschine möglich ist, wodurch die Zahl der erforderlichen
Leitungsstränge reduziert werden kann. Diese Lösung lässt sich jedoch nicht ohne Weiteres auf die Energiesystem der eingangs genannten Art übertragen. Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Energiesystem der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass die genannten Nachteile vermieden werden können. Insbesondere soll die Anzahl der Komponenten des Energiesystems, vorzugsweise auch die Anzahl der für die verschiedenen Betriebsweisen erforderlichen Leitungsabschnitte, so gut es geht reduziert werden. Darüber hinaus soll ein entsprechend verbessertes Verfahren zur Druckanpassung in einem Energiesystem bereitgestellt werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Energiesystem mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 , welches den ersten Aspekt der Erfindung darstellt, sowie durch das Verfahren mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen
Patentanspruch 10, welches den zweiten Aspekt der Erfindung darstellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem ersten Erfindungsaspekt offenbart sind, vollumfänglich auch im Zusammenhang mit dem zweiten Erfindungsaspekt, und umgekehrt, so dass hinsichtlich der Offenbarung dieser beiden Erfindungsaspekte stets vollinhaltlich auch Bezug auf den jeweils anderen
Erfindungsaspekt genommen wird.
Der grundlegende Gedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine
Verbindungsleitungseinrichtung mit bidirektionalen Leitungsabschnitten, insbesondere eine bidirektionale (H2-)Speicher!eitung, mit richtungsabhängigem Druckniveau sowie ein Verfahren zur Druckanpassung bereitgestellt wird.
Beim Wechsel der Betriebsweisen, beispielsweise von einem höheren Leitungsdruck zu einem geringeren Leitungsdruck, muss der Druck in der Leitung reduziert werden. Dies lässt sich mit der vorliegenden Erfindung realisieren, wobei möglichst wenig neue Komponenten erforderlich sind. Optimaler Weise erfolgt diese Umschaltung zwischen den einzelnen Betriebsweise dabei ohne Verluste, insbesondere ohne ein Freisetzen von H2.
Mit der vorliegenden Erfindung lassen sich eine Reihe von Vorteilen realisieren. So kann die Anzahl der erforderlichen Komponenten, beispielsweise von Leitungen, Armaturen,
Sensoren, Sicherheitselementen und dergleichen, reduzieren. In den sensiblen Bereichen herrscht ein geringes Druckniveau vor. Auch lassen sich Verluste, wie beispielsweise H2- Verluste, vermeiden. Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Energiesystem bereitgestellt, welches die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufweist.
Bei dem Energiesystem handelt es sich insbesondere um ein aus mehreren Komponenten bestehendes Ganzes, wobei die Komponenten miteinander zu einer zweckgebundenen Einheit verbunden sind. Im vorliegenden Fall handelt es sich bei dem Energiesystem um ein System zum Erzeugen beziehungsweise Bereitstellen von Energie, vorzugsweise von elektrischer Energie. Grundsätzlich ist die Erfindung nicht auf bestimmte Arten von
Energiesystemen beschränkt. Im Folgenden werden diesbezüglich verschiedene bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben.
In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Energiesystem um ein Hausenergiesystem. Hausenergiesysteme sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt und dienen der Versorgung von Häusern, beispielsweise von
Niedrigenergiehäusern, Passivhäusern oder Nullenergiehäusern, mit Energie in Form von Wärme und insbesondere in Form von Strom, beispielsweise Strom aus regenerativen Energiequellen wie beispielsweise Photovoitaik (PV)-Generatoren oder
Kleinwindkraftanlagen. Ein solches Hausenergiesystem schafft die Grundlage dafür, dass der Energiebedarf eines Hauses, insbesondere eines Niedrigenergiehauses, eines
Passivhauses oder eines Nullenergiehauses, sowohl hinsichtlich des Strom- als auch des Wärmebedarfs vollständig aus erneuerbaren Energiequellen gedeckt werden kann und somit vollständige COrFreiheit im Betrieb besteht. Wenigstens aber kann der Strombedarf eines Hauses im Sinne einer anzustrebenden Eigenverbrauchserhöhung nahezu vollständig aus erneuerbaren Energiequellen, insbesondere mittels eines PV-Generators und/oder einer Kleinwindenergieanlage, gedeckt werden.
Ein solches Hausenergiesystem ist beispielsweise in den Patentanmeldungen WO
2017/089468 A1 und WO 2017/089469 A1 der Anmelderin offenbart und beschrieben, deren Offenbarungsgehalt in die Beschreibung der vorliegenden Patentanmeldung mit einbezogen wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist ein Hausenergiesystem der genannten Art die folgenden Grundmerkmale auf:
einen DC-Einspeisepunkt, bevorzugt ausgebildet für eine Nenn-Spannung von 48 Volt, und/oder einem AC-Einspeisepunkt, bevorzugt ausgebildet für eine Spannung von 230 Volt oder 110 Volt, wobei der DC-Einspeisepunkt und/oder der AC-Einspeisepunkt im Betrieb zumindest zeitweise mit einem elektrischen Verbraucher, der eine Verbrauchs- Leistung aufweist, verbunden ist,
einen elektrisch mit dem DC-Einspeisepunkt wenigstens zeitweise verbundenen PV- Generator zum Erzeugen einer elektrischen PV-Leistung,
eine elektrisch mit dem DC-Einspeisepunkt oder mit dem AC-Einspeisepunkt wenigstens zeitweise verbundene Brennstoffzelleneinheit zum Erzeugen einer elektrischen Brennstoffzellen-Leistung,
eine elektrisch mit dem DC-Einspeisepunkt verbundene Elektrolyseeinheit zum
Erzeugen von durch die Brennstoffzelleneinheit zu verbrauchendem Wasserstoff, wobei die Elektrolyseeinheit im Betrieb mit einer elektrischen Elektrolyse- Eingangsleistung gespeist wird,
einen Wasserstofftank, insbesondere als Langzeitenergiespeicher, der mit der Brennstoffzelleneinheit und der Elektrolyseeinheit wenigstens zeitweise fluidverbunden ist und zum Speichern von mittels der Elektrolyseeinheit zu erzeugendem und durch die Brennstoffzelleneinheit zu verbrauchendem Wasserstoff ausgebildet ist, eine Speicher-Batterieeinheit, insbesondere als Kurzzeitenergiespeicher, die elektrisch mit dem DC-Einspeisepunkt verbunden oder zu verbinden ist, so dass eine elektrische PV-Leistung und eine elektrische Brennstoffzellen-Leistung in die Speicher- Batterieeinheit eingespeichert werden kann und eine elektrische Elektrolyse- Eingangsleistung und eine Verbrauchs-Leistung aus der Speicher-Batterieeinheit entnommen werden können; und
ein Steuermodul zum Steuern der Hausenergieanlage.
Das Erfindungssystem weist zunächst eine erste Energiequelleneinrichtung auf. Die erste Energiequelleneinrichtung ist dazu ausgebildet, eine Energie zu erzeugen oder
bereitzustellen. Eine Energiequelleneinrichtung zeichnet sich allgemein gesprochen insbesondere dadurch aus, dass aus ihr mehr hinausfließt als hineinfläeßt. Die Erzeugung oder Herstellung der Energie kann auf verschiedene Weise erfolgen. Beispielsweise kann die erste Energiequelleneinrichtung als Elektrolyseeinrichtung ausgebildet sein. In bevorzugter Ausgestaltung ist die erste Energiequelleneinrichtung, insbesondere in Form einer Elektrolyseeinrichtung, zur Herstellung von Wasserstoff H2 ausgebildet. Bei der Elektrolyse wird generell mittels elektrischen Stroms eine chemische Reaktion zur
Gewinnung oder Herstellung von Stoffen erzwungen. Dabei ist die Erfindung nicht auf dieses konkrete Ausführungsbeispiel beschränkt. Weiterhin weist das Energiesystem eine erste Energiesenkeneinrichtung auf. Eine
Energiesenkeneinrichtung zeichnet sich allgemein gesprochen insbesondere dadurch aus, dass in sie mehr hineinfließt als hinausfiießt. In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der ersten Energiesenkeneinrichtung um eine Brennstoffzelleneinrichtung.
Brennstoffzelleneinrichtungen an sich sind dem Fachmann geläufig. Allgemein gesprochen wandeln Brennstoffzellen einen zugeführten Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, und ein Oxidationsmittel in elektrische Energie um. Dabei ist die Erfindung nicht auf dieses konkrete Ausführungsbeispiel beschränkt.
In weiterer Ausgestaltung weist das Energiesystem eine zweite Energiequelleneinrichtung auf. Hierbei handelt es sich bevorzugt um eine Speichereinrichtung, insbesondere um eine Hochdruckspeichereinrichtung, in der die in der ersten Energiequelleneinrichtung erzeugte Energie, beispielsweise Wasserstoff, bis zu deren Verwendung, beispielsweise in der ersten Energiesenkeneinrichtung, etwa einer Brennstoffzelleneinrichtung, gespeichert wird. Handelt es sich bei der zweiten Energiequelleneinrichtung um einen Hochdruckspeicher, ist eine Speicherung mit Drücken bis 700 bar bevorzugt.
Das Energiesystem der vorliegenden Erfindung weist eine Verbindungsleitungseinrichtung auf, über die die erste Energiequelleneirichtung mit der zweiten Energiequelleneinrichtung sowie die zweite Energiequelleneinrichtung mit der ersten Energiesenkeneinrichtung miteinander verbunden sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Energiesystem weiterhin eine zweite Energiesenkeneinrichtung auf, welche über eine Ventileinrichtung mit der
Verbindungsleitungseinrichtung verbunden ist. Bei der Ventileinrichtung handelt es sich insbesondere um ein Sperrventil, beispielsweise ein Magnetventil, mittels dessen ein
Volumenstrom abgesperrt werden kann. Bei einer Ventileinrichtung, wie sie im Kontext der vorliegenden Erfindung beschrieben wird, handelt es sich bevorzugt um ein Bauelement, welches hinter einer Energiequelleneinrichtung angeordnet ist. In einer bevorzugten
Ausführungsform ist die zweite Energiesenkeneinrichtung als Mitteldruckspeichereinrichtung, insbesondere zur Zwischenspeicherung von Wasserstoff, ausgebildet. Insbesondere ist in der zweiten Energiesenkeneinrichtung eine Speicherung mir Drücken zwischen 20 und 60 bar bevorzugt. Wird eine solche zweite Energiesenkeneinrichtung verwendet, wird die in der ersten Energiequelleneirichtung erzeugte Energie, beispielsweise Wasserstoff, zunächst zu der zweiten Energiesenkeneinrichtung transportiert und dort zwischengespeichert, bevor von dort eine Speicherung in der zweiten Energiequeileneinrichtung, beispielsweise in einer Hochdruckspeichereinrichtung, erfolgt.
Die Verbindungsieitungseinrichtung umfasst bevorzugt die Gesamtheit der im Energiesystem vorhanden Leitungsabschnitte. Die Verbindungleitungseinrichtung beziehungsweise deren Leitungsabschnitte sind bevorzugt in Form von Rohrleitungen und/oder Schlauchleitungen ausgebildet. Ein Leitungsabschnitt stellt dabei bevorzugt ein Teilstück der gesamten
Verbindungsieitungseinrichtung dar. Im einfachsten Fall weist eine
Verbindungsieitungseinrichtung einen einzigen Leitungsabschnitt auf. Bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass die Verbindungsieitungseinrichtung zwei oder mehr Leitungsabschnitte aufweist. Einzelne Leitungsabschnitte können als so genannte unidirektionale
Leitungsabschnitte ausgebildet sein, was bedeutet, dass in diesen eine Strömung nur in einer Richtung erfolgt. Erfindungsgemäß sind nunmehr zumindest einzelne Abschnitte der Verbindungsieitungseinrichtung als bidirektionale Leitungsabschnitte ausgebildet. Ein bidirektionaler Leitungsabschnitt ist ein Leitungsabschnitt, der bidirektional genutzt wird, das heißt in zwei Richtungen. Ein bidirektionaler Leitungsabschnitt zeichnet sich dadurch aus, dass dieser wechselseitig genutzt wird und dass im Betrieb des Energiesystems eine Strömung in beiden Richtungen des Leitungsabschnitts erfolgt. Damit kann die Anzahl der benötigten Leitungsabschnitte deutlich reduziert werden.
Zurückkommend auf das weiter oben beschriebene Ausführungsbeispiel mit den zwei Betriebsweisen des Energiesystems ist bei Verwendung von bidirektionalen
Leitungsabschnitten beim Wechsel der Betriebsweisen eine Druckänderung, insbesondere eine Druckreduzierung erforderlich, beispielsweise von der ersten Betriebsweise Elektrolyse mit 20 bis 60 bar hin zur zweiten Betriebsweise Brennstoffzellenbetrieb bei kleiner 20 bar.
Aus diesem Grund ist die Verbindungsieitungseinrichtung erfindungsgemäß mit wenigstens einer Druckanpassungseinrichtung verbunden. Die Erfindung ist grundsätzlich nicht auf bestimmte Typen von Druckanpassungseinrichtungen beschränkt. Grundsätzlich muss die Druckanpassungseinrichtung in einer Weise ausgebiidet sein, dass sie in der Lage ist, in den bidirektionalen Leitungsabschnitten der Verbindungsieitungseinrichtung ein
richtungsabhängiges Druckniveau einzustellen. Die Druckanpassungseinrichtung dient folglich insbesondere dazu, den in den Leitungsabschnitten bei den verschiedenen
Betriebsweisen erforderlichen Druck einzustellen. In bevorzugter Ausgestaltung ist die Druckanpassungseinrichtung als Einrichtung zur Druckreduzierung in den bidirektionalen Leitungsabschnitten der
Verbindungsleitungseinrichtung ausgebiidet. Diese Funktionsweise der
Druckanpassungseinrichtung soll exemplarisch anhand des folgenden Beispiels verdeutlicht werden.
Wenn mit dem Energiesystem mittels Elektrolyse Wasserstoff hergestellt wird, der anschließend in einer Speichereinrichtung gespeichert wird, bevor er danach in einer Brennstoffzelleneinrichtung verbraucht wird, um elektrischen Strom zu erzeugen, erfolgt der Transport des in der Elektrolyseeinrichtung hergestellten Wasserstoffs zur
Speichereinrichtung in einer ersten Betriebsweise des Energiesystems über
Leitungsabschnitte der Verbindungsleitungseinrichtung in einer ersten Richtung. In der zweiten Betriebsweise des Energiesystems, in der der Wasserstoff aus der
Speichereinrichtung zur Brennstoffzelleneinrichtung transportiert wird, können diese
Leitungsabschnitte ebenfalls verwendet werden, wobei der Transport dann in einer entgegengesetzten zweiten Richtung zur ersten Betriebsweise erfolgt. In der ersten
Betriebsweise herrschen in den bidirektionalen Leitungsabschnitten Drücke zwischen 20 und 60 bar vor, die mittels der Druckanpassungseinrichtung für die zweite Betriebsweise auf kleiner 20 bar reduziert werden müssen.
Zu der Druckanpassungseinrichtung werden nachfolgend einige bevorzugte
Ausführungsbeispiele beschrieben, wobei die Erfindung nicht auf diese konkreten
Ausführungsformen beschränkt ist. Grundsätzlich ausreichend ist es, wenn eine einzige Druckanpassungseinrichtung realisiert ist. Natürlich sind auch Ausführungen denkbar, in denen gleichzeitig zwei oder mehr Druckanpassungseinrichtungen realisiert sind. Bei mehreren Druckanpassungseinrichtungen können diese entweder vom selben Typus, oder aber unterschiedlich ausgebildet sein. Bevorzugt sind deshalb auch Kombinationen aus unterschiedlichen Druckanpassungseinrichtungen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Druckanpassungseinrichtung eine
Kompressoreinrichtung auf, die in der Verbindungsleitungseinrichtung angeordnet und mit einer Speichereinrichtung, insbesondere mit der zweiten Energiequelleneinrichtung, verbunden ist, In einer Ausführungsform kann die Kompressoreinrichtung mit einer eigens für die Druckanpassung vorgesehenen Speichereinrichtung verbunden sein. In einer anderen, bevorzugten Ausführungsform ist di Kompressoreinrichtung mit der zweiten
Energiequelleneinrichtung verbunden. Über die Kompressoreinrichtung wird in der
Verbindungsleitungseinrichtung, insbesondere in den bidirektionalen Leitungsabschnitte der Verbindungsleitungseinrichtung befindliches Volumen in die zweite
Energiequelleneinrichtung eingespeichert. Dadurch wird das verbleibende Volumen in der Verbindungsleitungseirichtung, insbesondere in den bidirektionalen Leitungsabschnitten der Verbindungsleitungseinrichtung, reduziert, wodurch sich dessen Druck darin reduziert. Im Falle einer Erzeugung von Wasserstoff kann der in der ersten Energiequelleneinrichtung erzeugte Wasserstoff, der sich mit einem Druck zwischen 20 und 60 bar in der
Verbindungsleitungseinrichtung, beispielsweise in deren bidirektionalen Leitungsabschnitten, befindet, über die Kompressoreinrichtung in der zweiten Energiequelleneinrichtung, bei der es sich bevorzugt um eine Speichereinrichtung, insbesondere eine
Hochdruckspeichereinrichtung, handelt, beziehungsweise in der weiter oben beschriebenen, eigens dafür vorgesehenen Speichereinrichtung, eingespeichert werden. Dies geschieht bevorzugt so lange, bis der Druck in der Verbindungsleitungseinrichtung, insbesondere in deren bidirektionalen Leitungsabschnitten, nur noch so groß ist, dass das Energiesystem in der zweiten Betriebsweise betrieben werden kann, das heißt bei einem Druck von kleiner 20 bar. Je nach Ausführungsbeispiel kann die Speichereinrichtung, bevorzugt die zweite Energiequelleneinrichtung, ebenfalls Bestanteil der Druckanpassungseinrichtung sein.
Beispielsweise kann es sich bei der Kompressoreinrichtung um eine eigenständige
Kompressoreinrichtung im Energiesystem handeln, die nur für den Zweck der
Druckanpassung verwendet wird. Um jedoch die Komponentenanzahl im Energiesystem so gering wie möglich zu halten, ist die Kompressoreinrichtung der
Druckanpassungseinrichtung insbesondere gleichzeitig auch diejenige
Kompressoreinrichtung, die für die Einspeicherung der in der ersten
Energiequelleneinrichtung erzeugten Energie, beispielsweise des Wasserstoffs, verwendet wird. Im letztgenannten Fall ist die Druckanpassungseinrichtung durch eine Funktionalität einer Komponente des Energiesystems realisiert, die im Betrieb des Energiesystems auch noch eine andere Funktionalität wahrnimmt. Das gilt insbesondere auch dann, wenn die zweite Energiequelleneinrichtung der Druckanpassungseinrichtung zugeordnet ist. Bei der Kompressoreinrichtung handelt es sich bevorzugt um einen Kolbenkompressor.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die Druckanpassungseinrichtung als ein zusätzliches Expansionsvolumen ausgebildet, das über eine Ventileinrichtung mit der Verbindungsleitungseinrichtung verbunden ist. Dabei ist das zusätzliche Expansionsvolumen bevorzugt größer, insbesondere um ein Vielfaches größer, als das Volumen der
Verbindungsleitungseinrichtung, insbesondere als das Volumen der bidirektionalen
Leitungsabschnitte der Verbindungsleitungseinrichtung. Bei dem zusätzlichen
Expansionsvolumen handelt es sich somit um ein zusätzliches Volumen, das bei Bedarf mit der Verbindungsleitungseinrichtung, insbesondere mit deren bidirektionalen
Leitungsabschnitten, verbunden werden kann. Das zusätzliche Expansionsvolumen hat bevorzugt den Druck der ersten Energiesenkeneinrichtung, beispielsweise den Druck der Brennstoffzelleneinrichtung in der ersten Betriebsweise des Energiesystems ist das zusätzliche Expansionsvolumen von der Verbindungsleitungseinrichtung über die
Ventileinrichtung, bei der es sich bevorzugt um ein Sperrventil handelt, getrennt. Ist der Betriebsdruck der zweiten Betriebsweise des Energiesystems erforderlich, kann das
Volumen über die Ventileinrichtung der Verbindungsleitungseinrichtung zugeschaltet werden. Es stellt sich nach ein Mischdruck/Leitungsdruck ein.
Gemäß noch einer anderen Ausführungsform weist das Energiesystem eine Spüleinrichtung auf, die derart bereitgestelit ist, dass sie in der Lage ist, die erste Energiequelleneinrichtung und/oder die erste Energiesenkeneinrichtung zu spülen, Die Spüfeinrichtung weist bevorzugt eine Speicherkammer auf, die man auch als Purgekammer bezeichnet, und die
beispielsweise als Faltenbaig beziehungsweise Purgebalg ausgebiidet ist. Bei dieser Ausführungsform fungiert die Spüleinrichtung, insbesondere deren Speicherkammer, als die Druckanpassungseinrichtung, wobei die Spüleinrichtung, insbesondere die Speicherkammer, über eine Ventileinrichtung, insbesondere ein Sperrventil, mit der
Verbindungsleitungseinrichtung, insbesondere mit den bidirektionalen Leitungsabschnitten der Verbindungsleitungseinrichtung, verbunden ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Leitungsdruck sukzessive reduziert, beispielsweise indem Wasserstoff über die
Spüleinrichtung kontrolliert abgegeben wird. Diese Ausführungsform stellt allerdings kein geschlossenes System dar und geht mit einem Verlust von Wasserstoff einher. ln weiterer bevorzugter Ausgestaltung des Energiesystems gemäß sämtlicher Ausführungsformen ist in der Verbindungsleitungseinrichtung wenigstens eine
Rückschlagventileinrichtung angeordnet, wobei die Rückschlagventileinrichtung
insbesondere ein Ende eines bidirektionalen Leitungsabschnitts markiert. Bei einer
Rückschiagventileinrichtung, wie sie im Kontext der vorliegenden Patentanmeldung beschrieben wird, handelt es sich bevorzugt um ein Bauelement, welches vor einer
Energiesenkeneinrichtung angeordnet ist. Mittels der Rückschlagventileinrichtung wird der damit verbundene Leitungsabschnitt der Verbindungsieitungseinrächtung in einer Richtung strömungstechnisch geschlossen, während der Leitungsabschnitt in der anderen Richtung strömungstechnisch freigegeben, das heißt offen, bleibt. Die Rückschlagventileinrichtung ermöglicht insbesondere, dass in der Verbindungsleitungseinrichtung befindliches Volumen aus einem bidirektionalen Leitungsabschnitt in einen unidirektionalen Leitungsabschnitt einströmen kann, von dort jedoch nicht zurückströmen kann.
In weiterer Ausgestaltung ist für die Bestimmung des in der Verbindungsleitungseinrichtung, insbesondere in deren bidirektionalen Leitungsabschnitten, herrschenden Drucks, der Verbindungsleitungseinrichtung wenigstens eine Druckmesseinrichtung zugeordnet. Die Druckmesseinrichtung kann beispielsweise als ein Drucksensor ausgebildet sein. Sie kann den Druck entweder direkt messen oder den Druck indirekt aus anderen Parametern bestimmen. Druckmesseinrichtungen sind an sich bekannt. Insbesondere ist es die Funktion der Druckmesseinrichtung, festzustellen, ob bei einer Druckanpassung durch die
Druckanpassungseinrichtung der für die zweite Betriebsweise des Energiesystems erforderliche, insbesondere geringere, Druck erreicht worden ist. Grundsätzlich ist eine Druckmesseinrichtung ausreichend. Es können jedoch auch mehrere
Druckmesseinrichtungen vorgesehen sein, die dann bevorzugt an verschiedenen Stellen im Energiesystem, insbesondere in dessen Verbindungsleitungseinrichtung, verteilt sind.
Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Druckanpassung bereitgestellt, welches die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 10 aufweist.
Bevorzugt wird das Verfahren in einem Energiesystem gemäß dem ersten Erfindungsaspekt ausgeführt, so dass hinsichtlich der Ausgestaltung des Verfahrens, insbesondere hinsichtlich dessen Ablauf und Funktionsweise, zur Vermeidung von Wiederholungen an dieser Stelle vollinhaltlich auch auf die Ausführungen zum ersten Erfindungsaspekt Bezug genommen und verwiesen wird. Das Verfahren dient zum Anpassen des Leitungsdrucks in einer
Verbindungsleitungseinrichtung eines Energiesystems, insbesondere eines
Hausenergiesystems, wobei das Energiesystem eine erste Energiequelleneinrichtung aufweist, die über die Verbindungsleitungseinrichtung mit einer zweiten
Energiequelleneinrichtung verbunden ist, und wobei das Energiesystem eine erste
Energiesenkeneinrichtung aufweist, die über die Verbindungsleitungseinrichtung mit der zweiten Energiequelleneinrichtung verbunden ist. Erfindungsgemäß ist das Verfahren durch folgende Schritte gekennzeichnet:
In einer ersten Betriebsweise des Energiesystems wird von der ersten
Energiequeileneirichtung bereitgestellte Energie mit einem ersten Druck über die
Verbindungsleitungseinrichtung zur zweiten Energiequelleneinrichtung transportiert und dort gespeichert, wobei zumindest einzelne Abschnitte der Verbindungsleitungseinrichtung als bidirektionale Leitungsabschnitte ausgebildet sind. In der ersten Betriebsweise herrscht in der Verbindungsleitungseinrichtung, insbesondere in den bidirektionalen Leitungsabschnitten der Verbindungsleitungseinrichtung, somit der erste Druck vor. Der erste Druck liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 20 und 60 bar.
In wenigstens einer zweiten Betriebsweise des Energiesystems wird von der zweiten Energiequelleneirichtung bereitgestellte Energie mit einem zweiten Druck, der zum ersten Druck unterschiedlich ist, über die bidirektionalen Leitungsabschnitte der
Verbindungsleitungseinrichtung zur ersten Energiesenkeneinrichtung transportiert. Bei dem zweiten Druck handelt es sich insbesondere auch um denjenigen Druck, bei dem die erste Energiesenkeneinrichtung betrieben werden kann in der zweiten Betriebsweise herrscht in der Verbindungsleitungseinrichtung, insbesondere in den bidirektionalen Leitungsabschnitten der Verbindungsleitungseinrichtung, somit der zweite Druck vor. Der zweite Druck beträgt vorzugsweise weniger als 20 bar.
Über eine Druckanpassungseinrichtung, die mit der Verbindungsleitungseinrichtung verbunden ist, wird je nach Betriebsweise des Energiesystems ein richtungsabhängiges Druckniveau in den bidirektionalen Leitungsabschnitten der Verbindungsieitungseinrichtung eingestellt. In einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird bei einem Wechsel von der ersten Betriebsweise des Energiesystems in die zweite Betriebsweise des Energiesystems über die Druckanpassungseinrichtung der in der ersten Betriebsweise herrschende Leitungsdruck in Form des ersten Drucks in den bidirektionalen Leitungsabschnitten auf den in der zweiten Betriebsweise herrschenden Leitungsdruck in Form des zweiten Drucks reduziert. Dies geschieht insbesondere in einer Weise, dass über die Druckanpassungseinrichtung das zumindest in den bidirektionalen Abschnitten der Verbindungsleitungseinrichtung befindliche Volumen so weit reduziert wird, dass das verbleibende Volumen so weit entspannt wird, dass es nur noch den zweiten Druck aufweist.
Wenn das Energiesystem eine zweite Energiesenkeneinrichtung aufweist, welche über eine Ventileinrichtung mit der Verbindungsleitungseinrichtung verbunden ist, ist das Verfahren bevorzugt so ausgebiidet, dass in der ersten Betriebsweise des Energiesystems die von der ersten EnergiequelleneirSchtung bereitgestellte Energie mit dem ersten Druck über die Verbindungsleitungseinrichtung zur zweiten Energiesenkeneinrichtung transportiert und dort zwischengespeichert wird und dass anschließend die in der zweiten
Energiesenkeneinrichtung zwischengespeicherte Energie von dort zur zweiten
Energiequelleneinrichtung transportiert und dort gespeichert wird.
Bevorzugt ist in der Verbindungsieitungseinrichtung eine Kompressoreinrichtung angeordnet, so dass das Verfahren in einer bevorzugten Weiterbildung dadurch gekennzeichnet ist, dass in der ersten Betriebsweise des Energiesystems von der ersten Energiequelleneirichtung bereitgesteilte Energie mit dem ersten Druck über die Verbindungsleitungseinrichtung zur Kompressoreinrichtung transportiert und über diese in der zweiten Energiequelleneinrichtung gespeichert wird.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform fungiert die Kompressoreinrichtung als Druckanpassungseinrichtung, wobei über die Kompressoreinrichtung je nach Betriebsweise des Energiesystems ein richtungsabhängiges Druckniveau in den bidirektionalen
Leitungsabschnitten der Verbindungsleitungseinrichtung eingestellt wird. Bevorzugt wird bei einem Wechsel von der ersten Betriebsweise des Energiesystems in die zweite
Betriebsweise des Energiesystems über die Kompressoreinrichtung der in der ersten
Betriebsweise herrschende Leitungsdruck in Form des ersten Drucks in den bidirektionalen Leitungsabschnitten auf den in der zweiten Betriebsweise herrschenden Leitungsdruck in Form des zweiten Drucks in den bidirektionalen Leitungsabschnitten reduziert, indem insbesondere in der Verbindungsleitungseinrichtung befindliches Volumen über die
Kompressoreinrichtung so lange in die zweite Energiequelleneinrichtung eingelagert wird, bis der zweite Druck in den bidirektionalen Leitungsabschnitten der
Verbindungsieitungseinrichtung erreicht ist. Dies geschieht insbesondere dadurch, dass die entsprechenden Ventileinrichtungen in geeigneter Weise gestellt werden. Kommt in dem Energiesystem zusätzlich eine zweite Energiesenkeneinrichtung in Form einen
Zwischenspeichers zum Einsatz, wird bei diesem Verfahrensschritt die zweite
Energiesenkeneinrichtung durch Absperren der Ventileinrichtung bevorzugt vom Volumen in der Verbindungsleitungseinrichtung abgetrennt, da man ansonsten den Inhalt der zweiten Energiesenkeneinrichtung ebenfalls bis auf den zweiten Druck reduzieren müsste.
Natürlich ist das Verfahren auch bei den anderen weiter oben im Zusammenhang mit dem Erfindungssystem beschriebenen Ausführungsformen anwendbar, beispielsweise mittels Druckreduzierung durch ein zusätzliches Expansionsvolumen oder mittels Druckreduzierung durch eine Spüleinrichtung, so dass hinsichtlich eines solchen Verfahrensablaufs an dieser Stelle auf die entsprechenden Ausführungen weiter oben vollinhaltlich Bezug genommen und verwiesen wird.
Die vorliegende Erfindung lasst sich grundsätzlich auf alle Systeme mit bidirektional genutzter Leitung und direktionsabhängigem Druck anwenden, insbesondere auf
Speichersysteme mit separater Quelle und Senke, bevorzug auf Wasserstoff
Speichersysteme.
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
Figur 1 in schematischer Ansicht ein erfindungsgemäßes Energiesystem, in dem das erfindungsgemäße Verfahren ausführbar ist;
Figur 2 den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei eine erste
Betriebsweise des Energiesystems dargestellt ist;
Figur 3 den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei der Übergang
zwischen der erste Betriebsweise des Energiesystems und einer zweiten Betriebsweise des Energiesystems dargestellt ist; und
Figur 4 den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die zweite
Betriebsweise des Energiesystems dargestellt ist. In den Figuren 1 bis 4 ist ein Energiesystem 10 dargestellt, welches als Hausenergiesystem eingesetzt wird in Figur 1 wird zunächst der grundsätzliche Aufbau des Energiesystems 10 beschrieben. In dem Energiesystem 10 wird das erfmdungsgemäße Verfahren zur
Druckanpassung ausgeführt. Der Ablauf des Verfahrens, der verschiedene Betriebsweisen des Energiesystems 10 umfasst, wird anhand der Figuren 2 bis 4 erläutert.
Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, weist das Energiesystem 10 zunächst ein erstes Untersystem 20 auf, welches als Innensystem ausgebildet ist. Das bedeutet, dass sich das erste
Untersystem 20 innerhalb des Hauses befindet. Zusätzlich weist das Energiesystem 10 ein zweites Untersystem 30 in Form eines Außensystems auf. Das bedeutet, dass sich das zweite Untersystem 30 außerhalb des Hauses befindet.
Das erste Untersystem 20 weist eine erste Energiequelleneinrichtung 21 auf, bei der es steh um eine Elektrolyseeinrichtung zur Herstellung von Wasserstoff handelt. Zudem weist das erste Untersystem 20 eine erste Energiesenkeneinrichtung 22 auf, bei der es sich um eine Brennstoffzelleneinrichtung handelt. Das zweite Untersystem 30 weist eine zweite
Energiequelleneinrichtung 31 auf, bei der es sich um eine Hochdruckspeichereinrichtung handelt. In der Hochdruckspeichereinrichtung wird der erzeugte Wasserstoff bei bis zu 700 bar gespeichert. Zusätzlich verfügt das zweite Untersystem 30 über eine zweite
Energiesenkeneinrichtung 32 in Form einer Mitteldruckspeichereinrichtung, in der der erzeugte Wasserstoff bei Drücken zwischen 20 und 30 bar zwischengespeichert wird, bevor er von dort endgültigen der Hochdruckspeichereinrichtung gespeichert wird.
Die einzelnen Komponenten des Energiesystems 10 sind über eine
Verbindungsleitungseinrichtung 40 miteinander verbunden, die aus einer Anzahl unterschiedlicher Leitungsabschnitte 40a bis 40k besteht. Eine erste Anzahl von
Leitungsabschnitten 40a bi 40e sind dabei als so genannte bidirektionale Leitungsabschnitte ausgebildet. Das bedeutet, dass die Leitungsabschnitte 40a bis 40e während des Betriebs des Energiesystems 10 in beiden Richtungen durchströmt werden.
Zum Spülen der ersten Energiequelleneinrichtung 21 und/oder der ersten
Energiesenkeneinrichtung 22 ist eine Spüleinrichtung 23 mit einer Spülkammer vorgesehen, die über einen Leitungsabschnitt 40g mit den beiden vorgenannten Komponenten verbunden ist. Der in der ersten Energiequelleneirichtung 21 mittels Elektrolyse hergestellte Wasserstoff verlässt die erste Energiequelleneinrichtung 21 über einen Leitungsabschnitt 40f, welcher in den bidirektionalen Leitungsabschnitt 40e übergeht. In den beiden Leitungsabschnitten 40f und 40e befinden sich in Strömungsrichtung des erzeugten Wasserstoffs eine
Rückschlagventileinrichtung 24 sowie nachfolgend eine Filtereinrichtung 25 und eine Trocknereinrichtung 26, in denen der erzeugte Wasserstoff gefiltert und getrocknet wird. Die Filtereinrichtung 25 und die Trocknereinrichtung 26 können sich alternativ auch im zweiten Untersystem 30 befinden.
Von der Trocknereinrichtung 26 strömt der erzeugte Wasserstoff über die bidirektionalen Leitungsabschnitte 40a und 40c zu einer weiteren Rückschlagventileinrichtung 35, welche ein Ende des Leitungsabschnitts 40c markiert. Von dort strömt der erzeugte Wasserstoff über einen Leitungsabschnitt 40h sowie 40i in die als Mitteldruckspeicher fungierende zweite Energiesenkeneinrichtung 32, welche über eine Ventileinrichtung 33, die insbesondere als Sperrventil, beispielsweise in Form eines Magnetventils, ausgebildet ist, an einem weiteren Leitungsabschnitt 40j angebunden ist. In dem Leitungsabschnitt 40j, der in der als
Hochdruckspeichereinrichtung ausgebildeten zweiten Energiequelleneinrichtung 31 endet, befindet sich vor der zweiten Energiequeileneinrichtung 31 eine Kompressoreinrichtung 34, insbesondere in Form eines Kolbenkompressors. Über die Kompressoreinrichtung 34 wird der erzeugte Wasserstoff in die zweite Energiequelleneinrichtung 31 eingespeichert. Diese Kompressoreinrichtung 34, gemeinsam mit der zweiten Energiequelleneinrichtung 31 , fungiert zudem auch als eine Druckanpassungseinrichtung 50, die bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Einsatz kommt. Der in der zweiten
Energiesenkeneinrichtung 32 zwischengespeicherte Wasserstoff wird unter Betätigung der Kompressoreinrichtung 34 in der zweiten Energiequelleneinrichtung 31 eingespeichert.
Dieser Herstellungsvorgang des Wasserstoffs bis hin zu dessen Einspeicherung in der zweiten Energiequelleneinrichtung 31 stellt eine erste Betriebsweise des Energiesystems 10 dar. Bei dieser ersten Betriebsweise des Energiesystems 10 herrscht in den bidirektionalen Leitungsabschnitten 40a bis 40e der Verbindungsleitungseinrichtung 40 ein Druck von 20 bis 60 bar. Ein solcher Druck herrscht auch in der zweiten Energiesenkeneinrichtung 32. Über die Kompressoreinrichtung 34 wird der aus der zweiten Energiesenkeneinrichtung 32, bei der es sich um einen Zwischenspeicher handelt, entnommene Wasserstoff so weit komprimiert, dass er mit Drücken von bis zu 700 bar in der zweiten Energiequeileneinrichtung 31 , bei der es sich um eine Hochdruckspeichereinrichtung handelt, eingespeichert werden kann.
Der in der zweiten Energiequelleneinrichtung 31 gespeicherte Wasserstoff wird für den Betrieb der ersten Energiesenkeneinrichtung 22 in Form der Brennstoffzelleneinrichtung verwendet. Der Betrieb der Brennstoffzelleneinrichtung erfolgt in der zweiten Betriebsweise des Energiesystems 10. Die Brennstoffzelleneinrichtung kann aber nur bei Drücken kleiner 20 bar arbeiten. In der zweiten Betriebsweise des Energiesystems 10 wird der Wassersoff über einen Leitungsabschnitt 40k aus der zweiten Energiequeileneinrichtung 31 entnommen, über eine Entspannungseinrichtung 36 in Form eines Druckminderers entspannt und über einen bidirektionalen Leitungsabschnitt 40d in den bidirektionalen Leitungsabschnitt 40a transportiert, von wo aus er über den bidirektionalen Leitungsabschnitt 40b in die als
Brennstoffzelleneinrichtung ausgebildete erste Energiesenkeneinrichtung 22 eintritt. Die Reduzierung des Drucks in den bidirektionalen Leitungsabschnitten 40a bis 40e der
Verbindungsleitungseinrichtung 40 auf einen Wert kleiner 20 bar erfolgt dabei über die Druckanpassungseinrichtung 50. Zur Messung des Drucks ist wenigstes eine
Druckmesseinrichtung 41 , beispielsweise in Form eines Drucksensors vorgesehen.
Das in den Figuren 1 bis 4 dargestellte Energiesystem 10 stellt einen Teilbereich eines Gesamt-Hausenergiesystems dar, bei dem es sich um ein elektrisch autarkes und
vollständig auf erneuerbaren Energien beruhendes multihybrides
Hausenergiespeichersystem handelt.
Das multihybride Hausenergiespeichersystem ermöglicht es, die von einer Photovoltaik (PV)- Anlage, einer Kleinwindkraftanlage oder dergleichen erzeugte elektrische Energie
bedarfsgesteuert auf das gesamte Jahr zu verteilen. Dabei agiert das System als
Inselsystem unabhängig vom elektrischen Netz. Vielmehr soll die Anlage die elektrische Autarkie des Hauses gewährleisten, sodass über das ganze Jahr hinweg keine elektrische Energie aus dem Stromnetz bezogen werden muss.
Die primäre Aufgabe des Hausenergiesystems ist es, die gewonnene elektrische Energie aus Photovoltaik (PV)-Modulen oder dergleichen dem Verbraucher im Haushalt verfügbar zu machen. Sekundär können bei Zeiten niedriger Last oder hoher Einstrahlung elektrische Energieüberschüsse in einem Batterie-Kurzzeit-Speicher zwischengespeichert werden.
Tertiär kann im Wasserstoff-Langzeit-Speicher die elektrische Energie als gasförmiger Wasserstoff für Zeiten niedriger Einstrahlung wie Nacht, Winter oder dergleichen mittel- bis langfristig gespeichert und mittels Brennstoffzelle wieder jederzeit bedarfsgerecht zur Verfügung gestellt werden.
Neben energietechnischen Aufgaben fungiert das System auch als kontrollierte
Wohnraumlüftung durch ein verbautes Lüftungsgerät.
Der in der Elektrolyseeinrichtung produzierte Wasserstoff fließt über die Wasserstoffleitung in die außenaufgestellte Druckspeicheranlage.
Bei fehlender oder nicht ausreichender PV-Energie wird Energie aus der Batterie zur Deckung der Verbraucherlast entnommen. Reicht die im Kurzzeitspeicher vorrätige Energie nicht aus, kann die Brennstoffzelleinnrichtung den zusätzlichen elektrischen Energiebedarf decken. Im Brennstoffzellenbetrieb fließt der Wasserstoff über die Wasserstoffleitung aus der Druckspeicheranlage zur Brennstoffzelleneinrichtung.
Ein zeitgieicher Betrieb von Brennstoffzelleneinrichtung und Elektrolyseeinrichtung ist ausgeschlossen. Das gesamte System wird zentral über einen Energy Manager mit einem prädiktiven Energiemanagement betrieben.
Das zweite Untersystem ist prinzipiell für den Betrieb im Außenbereich vorgesehen, kann aber unter bestimmten Bedingungen auch innerhalb eines speziellen Bereichs des Hauses errichtet und betrieben werden.
Anhand der Figuren 2 bis 4 wird nachfolgend der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens verdeutlicht.
In Figur 2 ist eine erste Betriebsweise des Energiesystems 10 dargestellt. Wenn der
Wasserstoff in der ersten Energiequelleneirichtung 21 , bei der es sich um eine
Elektrolyseeinrichtung handelt, hergestellt wird, haben die in Figur 2 fett markierten
Leitungsabschnitte der Verbindungsleitungseinrichtung 40 sowie die zweite
Energiesenkeneinrichtung 32 in Form des Mitteldruckspeichers ein Druckniveau von 20 bis 60 bar. Der Druckminderer in der ersten Energiesenkeneinrichtung 22 in Form der
Brennstoffzelleneinrichtung kann aber nur Drücke bis kleiner 20 bar regeln. Daher ist bei diesem Leitungsdruck kein Brennstoffzellenbetrieb möglich. Figur 3 zeigt den Übergang von der ersten Betriebsweise des Energiesystems 10 hin zu dessen zweiter Betriebsweise. Durch Schließen der Ventileinrichtung 33, wodurch der Weg in die zweite Energiesenkeneinrichtung 32 abgeschlossen wird. Durch das Schließen der Ventileinrichtung 33 wird die zweite Energiesenkeneinrichtung zu diesem Zeitpunkt des Verfahrens von der Verbindungsleitungseinrichtung 40 abgekoppelt, so dass der Wasserstoff mit dem in der zweiten Energiesenkeneinrichtung 31 herrschenden Druck von 20 bis 60 bar mit diesem Druck in dieser verbleiben kann. Durch eine Komprimierung mittels der
Kompressoreinrichtung 34 in die zweite Energiequelleneirichtung 31 in Form der
Hochdruckspeichereinrichtung wird der Druck des reduzierten Volumens in denjenigen Leitungsabschnitten der Verbindungsleitungseinrichtung 40, die fett und gestrichelt markiert sind, reduziert. Die Druckreduzierung wird durch das reduzierte Volumen beschleunigt. Ist der Brennstoffzellen-Betriebsdruck von kleiner 20 bar in den fett und gestrichelt markierten Leitungsabschnitten der Verbindungsleitungseinrichtung 40 erreicht, ist die Druckreduzierung abgeschlossen.
Figur 4 schließlich zeigt die zweite Betriebsweise des Energiesystems 10. Durch Öffnen der Ventileinrichtung 33 und Abschalten der Kompressoreinrichtung 34 ist der Ausgangszustand wiederhergestellt. Der Druck der zweiten Energiesenkeneinrichtung 32 in Form des
Mitteldruckspeichers steht jetzt bis zur Rückschlagventileinrichtung 35 und der
Kompressoreinrichtung 34 an, was durch die fett markierten Leitungsabschnitte der
Verbindungsleitungseinrichtung 40 verdeutlicht ist. Die bidirektionalen Leitungsabschnitte der Verbindungsleitungseinrichtung 40 haben bis zur ersten Energiesenkeneinrichtung 22 in Form der Brennstoffzelleneinrichtung weiterhin den reduzierten Brennstoffzellen- Betriebsdruck von kleiner 20 bar, was durch die fett und gestrichelt markierten
Leitungsabschnitte der Verbindungsleitungseinrichtung 40 verdeutlicht ist. Die
Brennstoffzelleneinrichtung kann jetzt gestartet werden. Bezugszeichenliste
10 Energiesystem (Hausenergiesystem)
20 Erstes Untersystem (Innensystem)
21 Erste Energiequelieneinrichtung (Eiektrolyseeinrichtung)
22 Erste Energiesenkeneinrichtung (Brennstoffzelleneinrichtung)
23 Spüleinrichtung (Spülkammer)
24 Rückschlagventileinrichtung
25 Filtereinrichtung
26 T rocknereinrichtung
30 Zweites Untersystem (Außensystem)
31 Zweite Energiequelieneinrichtung (Hochdruckspeichereinrichtung)
32 Zweite Energiesenkeneinrichtung (Mitteldruckspeichereinrichtung)
33 Ventileinrichtung
34 Kompressoreinrichtung
35 Rückschlagventileinrichtung
36 Entspannungsvorrichtung (Druckminderer)
40 Verbindungsleitungseinrichtung
Bidirektionaler Leitungsabschnitt
Leitungsabschnitt
41 Druckmesseinrichtung
50 Druckanpassungseinrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Energiesystem (10), insbesondere Hausenergiesystem, aufweisend eine erste Energiequelieneinrichtung (21 ), eine erste Energiesenkeneinrichtung (22), eine zweite Energiequelleneinrichtung (31 ) sowie eine Verbindungsieitungseinrichtung (40), über die die erste Energiequelleneirichtung (21 ) mit der zweiten
Energiequelleneinrichtung (31 ) sowie die zweite Energiequelleneinrichtung (31 ) mit der ersten Energiesenkeneinrichtung (21 ) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einzelne Abschnitte der
Verbindungsleitungseinrichtung (40) als bidirektionale Leitungsabschnitte (40a bis 40e) ausgebildet sind, über die im Betrieb des Energiesystems eine Strömung in beiden Richtungen erfolgt, und dass die Verbindungsleitungseinrichtung (40) mit wenigstens einer Druckanpassungseinrichtung (50) verbunden ist, die derart bereitgestellt ist, dass sie in der Lage ist, in den bidirektionalen Leitungsabschnitten (40a bis 40e) der Verbindungsleitungseinrichtung (40) ein richtungsabhängiges Druckniveau einzustellen.
2. Energiesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiesystem (10) eine zweite Energiesenkeneinrichtung (32) aufweist, welche über eine
Ventileinrichtung (33) mit der Verbindungsleitungseinrichtung (40) verbunden ist.
3. Energiesystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Energiequelleneinrichtung (21 ) als Elektrolyseeinrichtung, insbesondere zur Herstellung von Wasserstoff ausgebildet ist und/oder dass die erste
Energiesenkeneinrichtung (22) als Brennstoffzelleneinrichtung ausgebildet ist und/oder dass die zweite Energiequelleneinrichtung (31 ) als
Hochdruckspeichereinrichtung, insbesondre zur Speicherung von Wasserstoff ausgebildet ist und/oder dass die zweite Energiesenkeneinrichtung (32) als Mitteldruckspeichereinrichtung, insbesondere zur Zwischenspeicherung von Wasserstoff ausgebildet ist.
4. Energiesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckanpassungseinrichtung (50) als Einrichtung zur Druckreduzierung in den bidirektionalen Leitungsabschnitten (40a bis 40e) der Verbindungsleitungseinrichtung (40) ausgebildet ist.
5. Energiesystem nach einem der AnspOrüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckanpassungseinrichtung (50) eine Kompressoreinrichtung (34) aufweist, die in der Verbindungsleitungseinrichtung (40) angeordnet und mit einer
Speichereinrichtung, insbesondere mit der zweiten Energiequeileneinrichtung (31 ), verbunden ist, und dass die Kompressoreinrichtung (34) insbesondere gleichzeitig diejenige Kompressoreinrichtung (34) ist, die für die Beladung der zweiten
Energiequelleneinrichtung (31 ) verwendet wird.
6. Energiesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckanpassungseinrichtung (50) als ein zusätzliches Expansionsvolumen ausgebildet ist, das über eine Ventileinrichtung mit der
Verbindungsleitungseinrichtung (40) verbunden ist, und dass das zusätzliche Expansionsvolumen bevorzugt größer ist als das Volumen der
Verbindungsleitungseinrichtung (40), insbesondere als das Volumen der
bidirektionalen Leitungsabschnitte (40a bis 40e) der Verbindungsleitungseinrichtung (40).
7. Energiesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiesystem (10) eine Spüleinrichtung (23) aufweist, die derart bereitgestellt ist, dass sie in der Lage ist, die erste Energiequelieneinrichtung (21 ) und/oder die erste Energiesenkeneinrichtung (22) zu spülen, und dass die Spüleinrichtung (23) als die Druckanpassungseinrichtung (50) fungiert und über eine Ventiieinrichtung mit der Verbindungsleitungseinrichtung (40), insbesondere mit den bidirektionalen
Leitungsabschnitten (40a bis 40e) der Verbindungsleitungseinrichtung (40), verbunden ist.
8. Energiesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verbindungsleitungseinrächtung (40) wenigstens eine
Rückschlagventileinrichtung (24, 35) angeordnet ist und dass die
Rückschlagventileinrichtung (24, 35) ein Ende eines bidirektionalen
Leitungsabschnitts markiert.
9. Energiesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsleitungseinrichtung (40), insbesondere wenigstens einem bidirektionalen Leitungsabschnitt (40a bis 40e) der Verbindungsleitungseinrichtung (40), wenigstens eine Druckmesseinrichtung (41 ) zugeordnet ist.
10. Verfahren zum Anpassen des Leitungsdrucks in einer
Verbindungsleitungseinrichtung eines Energiesystems, insbesondere eines
Hausenergiesystems, wobei das Energiesystem eine erste
Energiequelleneinrichtung aufweist, die über die Verbindungsleitungseinrichtung mit einer zweiten Energiequelleneinrichtung verbunden ist, und wobei das
Energiesystem eine erste Energiesenkeneinrichtung aufweist, die über die
Verbindungsleitungseinrichtung mit der zweiten Energiequelleneinrichtung verbunden ist, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
a) in einer ersten Betriebsweise des Energiesystems wird von der ersten
Energiequelleneirichtung bereitgestellte Energie mit einem ersten Druck über die Verbindungsleitungseinrichtung zur zweiten Energiequelleneinrichtung transportiert und dort gespeichert, wobei zumindest einzelne Abschnitte der
Verbindungsleitungseinrichtung als bidirektionale Leitungsabschnitte ausgebildet sind, über die im Betrieb des Energiesystems eine Strömung in beiden Richtungen erfolgt;
b) in wenigstens einer zweiten Betriebsweise des Energiesystems wird von der zweiten Energiequelleneirichtung bereitgestellte Energie mit einem zweiten Druck, der zum ersten Druck unterschiedlich ist, über die bidirektionalen Leitungsabschnitte der Verbindungsleitungseinrichtung zur ersten Energiesenkeneinrichtung
transportiert;
c) über eine Druckanpassungseinrichtung, die mit der Verbindungsleitungseinrichtung verbunden ist, wird je nach Betriebsweise des Energiesystems ein richtungsabhängiges Druckniveau in den bidirektionalen Leitungsabschnitten der Verbindungsleitungseinrichtung eingestellt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass dieses in einem
Energiesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgeführt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass bei einem
Wechsel von der ersten Betriebsweise des Energiesystems in die zweite
Betriebsweise des Energiesystems über die Druckanpassungseinrichtung der in der ersten Betriebsweise herrschende Leitungsdruck in Form des ersten Drucks in den bidirektionalen Leitungsabschnitten auf den in der zweiten Betriebsweise
herrschenden Leitungsdruck in Form des zweiten Drucks reduziert wird, wobei insbesondere über die Druckanpassungseinrichtung das zumindest in den bidirektionalen Abschnitten der Verbindungsleitungseinrichtung befindliche Volumen reduziert wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem das Energiesystem eine zweite Energiesenkeneinrichtung aufweist, welche über eine Ventileinrichtung mit der Verbindungsleitungseinrichtung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Betriebsweise des Energiesystems die von der ersten
Energiequelleneirichtung bereitgestelite Energie mit dem ersten Druck über die Verbindungsleitungseinrichtung zur zweiten Energiesenkeneinrichtung transportiert und dort zwischengespeichert wird und dass anschließend die in der zweiten
Energiesenkeneinrichtung zwischengespeicherte Energie von dort zur zweiten Energiequelleneinrichtung transportiert und dort gespeichert wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei dem in der
Verbindungsleitungseinrichtung eine Kompressoreinrichtung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Betriebsweise des Energiesystems von der ersten Energiequelleneirichtung bereitgestellte Energie oder in der zweiten
Energiesenkeneinrichtung zwischengespeicherte Energie mit dem ersten Druck über die Verbindungsleitungseinrichtung zur Kompressoreinrichtung transportiert und über diese in der zweiten Energiequelleneinrichtung gespeichert wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die
Kompressoreinrichtung als Druckanpassungseinrichtung fungiert, dass über die Kompressoreinrichtung je nach Betriebsweise des Energiesystems ein
richtungsabhängiges Druckniveau in den bidirektionalen Leitungsabschnitten der
Verbindungsleitungseinrichtung eingestellt wird und dass bevorzugt bei einem Wechsel von der ersten Betriebsweise des Energiesystems in die zweite
Betriebsweise des Energiesystems über die Kompressoreinrichtung der in der ersten Betriebsweise herrschende Leitungsdruck in Form des ersten Drucks in den bidirektionalen Leitungsabschnitten auf den in der zweiten Betriebsweise
herrschenden Leitungsdruck in Form des zweiten Drucks in den bidirektionalen Leitungsabschnitten reduziert wird, indem insbesondere in der
Verbindungsleitungseinrichtung befindliches Volumen über die
Kompressoreinrichtung so lange in die zweite Energiequelleneinrichtung eingelagert wird, bis der zweite Druck in den bidirektionalen Leitungsabschnitten der
Verbindungsleitungseinrichtung erreicht ist.
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