EP4367769A1 - Mit klimaneutraler thermischer und elektrischer energie versorgte, autarke produktionsstätte - Google Patents

Mit klimaneutraler thermischer und elektrischer energie versorgte, autarke produktionsstätte

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Publication number
EP4367769A1
EP4367769A1 EP22738544.0A EP22738544A EP4367769A1 EP 4367769 A1 EP4367769 A1 EP 4367769A1 EP 22738544 A EP22738544 A EP 22738544A EP 4367769 A1 EP4367769 A1 EP 4367769A1
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EP
European Patent Office
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hydrogen
oxygen
line
energy
power plant
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Pending
Application number
EP22738544.0A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Franz Leers
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Wenker GmbH and Co KG
Original Assignee
Wenker GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to a self-sufficient production site supplied with climate-neutral thermal and electrical energy.
  • the present invention relates to a system integrated by sector coupling for the climate-neutral supply of thermal and electrical energy to an object using hydrogen produced in a climate-neutral manner.
  • the present invention relates to a method for the climate-neutral supply of electrical and thermal energy to a self-sufficient production site using hydrogen produced in a climate-neutral manner.
  • the present invention relates to the use of the self-sufficient production facility for the production and processing of goods
  • Hydrogen and electrical energy obtained from renewable energies and energy sources are the central building blocks of the climate-neutral technology of the future. Compare, for example, the report: e-mobil BW State Agency for Electromobility and Fuel Cell Technology Baden-paper GmbH, "Hydrogen infrastructure for sustainable mobility - development status and research needs, March 2013.
  • sector coupling or integrated energy
  • sectors the networking of the sectors of the energy industry and industry, which are coupled and optimized in a common holistic approach.
  • electricity, heat supply or cooling supply, transport and industry sectors have been considered largely independently of one another.
  • solutions tailored only to individual sectors, which only take into account solutions within the respective sector, are no longer pursued and instead a holistic view of all sectors is carried out in order to enable a better and cheaper overall system.
  • Chinese patent application CN 11191021 OA discloses a complementary integrated wind-solar hydrogen storage system comprising wind turbines, solar photovoltaic power generation plants, energy storage plants and hydro-electrolysis hydrogen production plants, with a hydrogen storage device and a hydrogen production pipeline network being connected.
  • the wind turbines, the solar photovoltaic systems, the storage systems and the hydro-electrolysis hydrogen production systems are connected to an internal power grid and not to an external power grid. So they work in an isolated network mode, By establishing the integrated hydrogen production and supply system with wind-solar hydrogen storage and isolated grid operation, clean green electricity will be converted into high-quality hydrogen with wider application, and improve the green energy development level.
  • the solar subsystem includes multiple photovoltaic modules for generating a first source of electrical energy and a concentrated solar thermal system for generating a second source of electrical energy.
  • the concentrated solar thermal system includes multiple directing mirrors that are used to concentrate solar energy onto multiple steam-producing vessels to use the generated steam to drive a generator's turbine.
  • the wind subsystem includes at least one wind turbine for generating a third source of electrical energy
  • the hydrogen subsystem includes an artificial photosynthesis system through photoelectrolysis for generating hydrogen, and a fuel cell that receives the hydrogen for generating a fourth source of electrical energy through reverse hydrolysis.
  • the artificial photosynthesis system receives one of the first, second and third power sources to separate hydrogen from a liquid on hydrogen toasts, especially water, to ensure the hydrogen supply.
  • the hydrogen subsystem also includes a storage system to store hydrogen for later use in the fuel cell.
  • the American patent application US 2008/0127646 A1 discloses a system and a method for generating energy from renewable energy sources and possibly for consuming the energy to generate hydrogen.
  • a total systems approach improves efficiency by balancing power generation over a wider range of conditions and electrical energy according to hydrogen converter requirements controls. This is made possible through an overall system controller that dynamically optimizes the entire system to maximize the available inputs such as renewable stored energy while providing the maximum desired outputs such as electricity, hydrogen and yield, taking into account the final capacities of the components and the historical, current and predicted ones provide future data.
  • the electrical energy is also fed into a city power station network via a plus/minus meter, with the city power station network requesting and distributing the energy of the supply cell and disposal cell controlled by computer programs.
  • the energy is fed into road lines for the inductive energy supply of automobile traffic.
  • the present invention was therefore based on the object of providing a substantially or completely self-sufficient production facility that uses a system integrated by sector coupling to produce climate-neutral thermal and electrical energy using climate-neutral generated hydrogen can be supplied.
  • the self-sufficient, climate-neutral energy supply should on the one hand ensure the often widely varying energy consumption of the production facilities and on the other hand keep the climatic conditions in the vicinity of the production facilities constant.
  • the production facility should deliver the products and goods of consistent quality and in the desired time, day and night, at high and low temperatures, at different times of the year, in different geographical environments and climate zones.
  • the self-sufficient, climate-neutral energy supply of the production facility should be protected against harmful external influences such as sabotage or power failures in the public network.
  • production facility according to the invention the self-sufficient production facility supplied with climate-neutral, thermal and electrical energy was found according to independent patent claim 1, which is referred to below as “production facility according to the invention”.
  • production facility according to the invention Advantageous embodiments of the production facility according to the invention emerge from the dependent patent claims 2 to 11.
  • the object on which the present invention was based could be achieved with the aid of the production facility according to the invention, the method according to the invention, the use according to the invention and the system according to the invention.
  • the production site according to the invention and the sector-coupled system according to the invention could be operated in virtually all climatic zones and under the most varied of weather conditions and geographical conditions.
  • the sector-coupled system according to the invention and the production facility according to the invention could be excellently adapted to the changing weather and temperature conditions in moderate climate zones with pronounced seasons. They could be built on and in watercourses, lakes and seas and make excellent use of their energies.
  • the production facility according to the invention and the system according to the invention were self-sufficient and could be supplied with thermal and electrical energy in a climate-neutral manner using hydrogen produced in a climate-neutral manner.
  • the self-sufficient, climate-neutral energy supply could on the one hand ensure the often widely varying energy consumption of the manufacturing, processing and machining facilities in the production facilities according to the invention and on the other hand keep the climatic conditions in the vicinity of the manufacturing, processing and machining facilities constant.
  • the production facility according to the invention was able to deliver the goods of consistent quality in the desired time day and night, at high and low temperatures, at different times of the year, in different geographical environments and climate zones.
  • the climate-neutral energy supply of the production facility according to the invention could be protected much better against harmful external influences such as sabotage or power failures in the public network than a non-autonomous production facility.
  • the production facility according to the invention is self-sufficient and is supplied with climate-neutral, thermal and electrical energy.
  • the power supply is a sector-coupled installation that includes the following devices or sectors: at least two different sector-coupled systems for generating electrical energy from at least two, in particular two, types of renewable energy, at least one electrical line from the at least two sector-coupled systems to the production site, at least one electrical line to at least one water electrolysis system or to at least one electrolyser;
  • the term electrolyzer is always used, the at least one electrolyzer with at least one cathode compartment for generating hydrogen and at least one anode compartment for generating oxygen (O 2 ), at least one hydrogen line from the at least one cathode compartment of the at least one electrolyzer to at least one hydrogen storage device , at least one hydrogen line from the at least one hydrogen storage device to the at least one combustion chamber of the at least one combined heat and power plant, at least one electrical line from the at least one device for generating electrical energy in the at least one combined heat and power plant to the actual production site and at least one waste heat line from the at least one combined heat and power plant to the production site
  • a first preferred embodiment of the production facility according to the invention comprises at least one oxygen line from the at least one anode space to at least one oxygen store.
  • a further preferred embodiment of the production site according to the invention comprises at least one oxygen line from the at least one oxygen store to the at least one combustion chamber and the at least one combined heat and power plant and/or to at least one fuel cell.
  • the particular advantage of this embodiment is that the oxygen produced can be used in the at least one combustion chamber of the at least one combined heat and power plant or in the fuel cell, which further improves the energy balance of the inventive sector-coupled system and the inventive production site.
  • the oxygen can be used in at least one fuel cell to generate electricity.
  • the hydrogen produced can advantageously be used as fuel.
  • Another significant advantage of the production facility according to the invention and the plant according to the invention is that its sectors are energy-coupled, which increases flexibility and improves the energy balance even further.
  • the production site according to the invention and the sector-coupled system according to the invention preferably use at least two, in particular two, types of renewable energy selected from the group consisting of solar energy, hydroelectric power, ocean energy, wind energy, bioenergy and geothermal energy.
  • the system according to the invention and the production facility according to the invention use two different systems from the group consisting of photovoltaic systems, solar thermal systems, solar chemical systems, updraft power plants, dams, dams, run-of-river power plants, water mills, power buoys, devices for using the wave energy of the sea, devices for use the flow energy of the sea, devices for the use of sea heat, osmosis power plants, wind power plants, airborne wind power plants, windmills, biogas plants and geothermal power plants,
  • the at least two different installations are very particularly preferably at least one photovoltaic installation and at least one wind power installation.
  • the at least one wind turbine preferably has a rated output of 500 kW to 3000 kW, preferably 600 kW to 2500 kW and in particular 700 kW to 2000 kW at a wind speed of 13 m/s and a speed of 19 rpm.
  • a wind power plant from Wind My Roof, Vincennes, France is used as the at least one wind power plant.
  • This wind turbine has the following essential components: An enclosure, which has two side walls, a bottom wall and an upper wall, which together define the enclosure with a front surface and a rear surface, each with an opening, and a housing in which a turbine is located, which is mounted on its axis of rotation extending horizontally between the two side winds, the turbine being movable by an air flow entering the front face, and the wind turbine having a deflector extending from the lower part of the front face towards the top wall extends toward the interior of the housing, with the top wall and deflector together defining an air inlet duct that directs air to the turbine
  • the sector-coupled system can be optimally adapted to a varying energy requirement on the one hand and to varying environmental conditions.
  • At least one electrolyzer from the group consisting of alkaline high and low pressure electrolyzers, proton exchange membrane ( PEM ) electrolyzers, high temperature electrolyzers, molybdenum sulfide electrolyzers and nickel-iron electrolyzers is used.
  • At least one hydrogen storage device from the group consisting of compressed gas storage devices, liquid gas storage devices, transcritical (cryo-compressed) storage devices, adsorptive storage devices and storage devices with liquid organic hydrogen carriers (LOHC) is preferably used.
  • the at least one combined heat and power plant is preferably current-oriented. If necessary, at least one heat-oriented combined heat and power plant can also be used.
  • the at least one device or generator for generating the electrical current in the block-type thermal power station is particularly preferably operated by a gas engine.
  • the gas engine most preferably uses pure hydrogen as fuel. If a natural gas tank is available on the premises, a mixture of hydrogen and natural gas can also be used.
  • the annual electrical energy generated is 1.0 GWh to 1.0 TWh, preferably 1.0 GWh to 800 GWh, preferably 1.5 GWh to 500 GWh, particularly preferably 2 GWh to 100 GWh, very particularly preferably 2 GWh to 50 GWh and in particular 2 GWh to 10 GWh,
  • waste heat generated by the at least one combined heat and power plant is used for the air conditioning of the production site according to the invention.
  • the production facility according to the invention described above advantageously includes peripherals for electronic, hydraulic, pneumatic and mechanical control and for regulating and measuring the physical and chemical parameters when carrying out the method according to the invention described below.
  • the peripherals include electronic data processing systems, electrical, mechanical, hydraulic and pneumatic actuators; and pressure, temperature, flow, and chemical compound sensors.
  • the production facility according to the invention includes devices and systems for the delivery, storage and removal of products,
  • the method according to the invention for the climate-neutral supply of a self-sufficient production facility with electrical and thermal energy comprises the following method steps: (I) Generation of electrical energy in at least two different sector-coupled systems from at least two types of renewable energy,
  • the oxygen (O 2 ) produced in the at least one anode chamber is routed through at least one oxygen line to at least one oxygen store and stored therein. It is preferably stored as a gas or as a liquid at low temperatures.
  • the oxygen (O 2 ) stored in the at least one oxygen storage device is conducted through at least one oxygen line to the at least one combustion chamber of the at least one combined heat and power plant, in which it burns the hydrogen (Ha) in at least one flame.
  • the oxygen (O 2 ) stored in the at least one oxygen storage device is used in at least one fuel cell to generate electricity.
  • the hydrogen (Ha) from the at least one hydrogen storage device is preferably used as the fuel.
  • the sectors for converting, generating and delivering energy are particularly preferably energy-coupled.
  • the energy absorption, the energy conversion and the energy output in the sectors are particularly preferably controlled centrally by an electronic control unit.
  • the energy-coupled sectors for carrying out the method according to the invention are located on the premises of the production facility.
  • the at least two types of renewable energy described above are preferably used for the method according to the invention.
  • At least two different systems described above in particular at least one photovoltaic system and at least one wind turbine, both as described above, are used for the method according to the invention.
  • At least one of the water electrolysis systems described above or at least one of the electrolyzers described above is preferably used for the method according to the invention.
  • at least one of the hydrogen storage devices described above is preferably used for the method according to the invention.
  • the at least one combined heat and power plant is preferably current-oriented, with the at least one device for generating the electric current being operated by a gas engine.
  • the method according to the invention generates electrical energy annually in the order of magnitude of the ranges indicated above.
  • the at least one production facility according to the invention can be air-conditioned with the waste heat generated by the at least one block-type thermal power station.
  • the method according to the invention is preferably carried out on the premises of the production facility according to the invention.
  • the production facility according to the invention is used for the climate-neutral production, treatment and/or processing of goods of all kinds.
  • Examples of objects, in particular stationary objects, which are supplied with thermal and electrical energy by the at least one sector-coupled system according to the invention are halls, residential buildings, hotels, clinics, train stations, aircraft terminals and port facilities.
  • E 2 Electrical line from the plants 2 to the electrolysis plant 3
  • E3 Electrical line from the electricity generation 5.2 of the combined heat and power plant 5 to the production facility 1
  • a small wind turbine 2.2 from German Sustainabies GmbH with an output of 1 MWp at a wind speed of 13 m/s and a speed of 19 rpm was energy-coupled to the photovoltaic systems 2.1.
  • the electrical energy generated by the photovoltaic systems 2.1 could be routed at least partially directly to the various manufacturing systems, machining systems and processing systems through electrical lines Ei, for example in strong sunlight such as in summer.
  • the small wind turbine 2.2 could at least partially take over the direct supply of electricity to the production plants, machining plant and processing plants.
  • the electrical energy generated by the photovoltaic systems 2.1 and the small wind turbine 2.2 was at least partially routed through electrical lines E 2 to alkaline electrolyzers 3, as described, for example, in the company publication "Alkaline electrolysis in the industrial application wind to gas - storage solution electrolysis, 26. November 2012, VDI, IHK Giessen - Friedberg Mate Barisic, ELB Elektrolysetechnik", ELB-Fräsentation-A-26-11-2012-Barisic.pdf (seufert.org), are described.
  • hydrogen was produced by alkaline pressure electrolysis, which was conducted via hydrogen pressure lines 3.1.1 into gas storage systems 4 and stored there for further use.
  • the oxygen produced in the anode chambers 3.2 by alkaline pressure electrolysis was conducted via oxygen pressure lines 3,2,1 into oxygen pressure gas reservoir 3.2.2 and stored there for further use.
  • the electrical energy generated by the current-oriented combined heat and power plants 5 was through the electrical lines E 3 to the various manufacturing plants, processing plant and Processing facilities managed.
  • the excess waste heat generated was conducted through waste heat lines H into the halls of the production facility 1 according to the invention for the purpose of air conditioning.
  • This sector-coupled system according to the invention with the sectors 2.1; 2.2; 3; 4; 5, 3.7 GWh of electrical energy could be generated in a climate-neutral manner every year.

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Abstract

Mit klimaneutraler, thermischer und elektrischer Energie versorgte, autarke Produktionsstätte (1) gemäß Figur 1, umfassend - mindestens eine Anlage (2), umfassend -eine sektorengekoppelte Fotovoltaikanlage (2.1) mit einem Watt Peak von 1 bis 10 MWp unter Standard-Testbedingungen (STC) mit den folgenden Parametern: Zelientemperatur = 25 °C: Bestrahlungsstärke = 1000 W/m2; Sonnenlichtspektrum gemäß AM (Luftmasse) = 1,5 und mindestens eine sektorengekoppelte Windkraftanlage (2.2) einer Nennleistung von 500 bis 3000 kW bei einer Windgeschwindigkeit von 13 m/s und einer Drehzahl von 19 U/min als den zwei unterschiedlichen sektorengekoppelten Anlagen (2.1; 2.2) zur Erzeugung elektrischer Energie, - eine elektrische Leitung (E1) von den zwei sektorengekoppelte Anlagen (2.1; 2.2) zu der Produktionsstätte (1), - eine elektrische Leitung (E2) zu mindestens einer Elektrolyseaniage (3), - eine Wasserelektrolyseanlage (3) oder mindestens einem Elektrolyseur (3) mit einem Kathodenraum (3.1) zur Erzeugung von Wasserstoff (H2) und einem Anodenraum (3.2) zur Erzeugung von Sauerstoff (O2), - eine Wasserstoffleitung (3.1.1) von dem Kathodenraum (3.1) des Elektrolyseurs (3) zu einem Wasserstoffspeicher (4), - eine Wasserstoffleitung (4.1 ) von dem Wasserstoffspeicher (4) zu der Brennkammer (5.1 ) des mindestens einen Blockheizkraftwerks (5), - eine Sauerstoffleitung (3.2.1) von dem Anodenraum (3.2) zu einem Sauerstoffspeicher (3.2.2), - eine Sauerstoffleitung (3.2.3) von dem Sauerstoffspeicher (3.2.2) zu dem Brennraum (5.1) des Blockheizkraftwerks (5), - eine elektrische Leitung (E3) von der Vorrichtung (5.2) zur Erzeugung elektrischer Energie in dem Blockheizkraftwerk (5) zu der Produktionsstätte (1) und - eine Abwärmeleitung (H) von dem Blockheizkraftwerk (5) zu der Produktionsstätte (1), - wobei die Sektoren (2; 3; 4; 5) energiegekoppelt sind.

Description

Mit klimaneutraler thermischer und elektrischer Energie versorgte, autarke
Produktionsstäte
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine mit klimaneutraler thermischer und elektrischer Energie versorgte, autarke Produktionsstätte.
Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung eine durch Sektorenkupplung integrierte Anlage zur, klimaneutraten Versorgung eines Objekts mit thermischer und elektrischer Energie unter Verwendung von klimaneutral erzeugtem Wasserstoff.
Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren für die klimaneutrale Versorgung einer autarken Produktionsstätte mit elektrischer und thermischer Energie unter Verwendung von klimaneutral erzeugtem Wasserstoff.
Nicht zuletzt betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung der autarken Produktionsstätte zur Herstellung und Bearbeitung von Gütern,
Stand der Technik
Wasserstoff und elektrische Energie, die aus erneuerbaren Energien und Energiequellen gewonnen werden, sind die zentralen Bausteine der klimaneutralen Technologie der Zukunft. Vergleiche hierzu beispielsweise den Bericht: e-mobil BW Landesagentur für Elektromobilität und Brennstoffzellentechnologie Baden-Württernberg GmbH, „Wasserstoff-Infrastruktur für eine nachhaltige Mobilität - Entwicklungsstand und Forschungsbedarf, März 2013.
Zur effektiven und effizienten Nutzung der Energie aus erneuerbaren Energieformen ist die Sektorenkopplung (englisch: Sector Coupling oder Integrated Energy), d. h., die Vernetzung der Sektoren der Energiewirtschaft sowie der Industrie, die gekoppelt und in einem gemeinsamen ganzheitlichen Ansatz optimiert werden, notwendig. Traditionell wurden die Sektoren Elektrizität, Wärmeversorgung oder Kälteversorgung, Verkehr und Industrie weitgehend unabhängig voneinander betrachtet. Bei dem Konzept der Sektorenkopplung werden nur auf einzelne Sektoren zugeschnittene Lösungsansätze, die nur Lösungen innerhalb des jeweiligen Sektors berücksichtigen, nicht mehr weiterverfolgt und stattdessen eine ganzheitliche Betrachtung aller Sektoren durchgeführt, um ein besseres und günstigeres Gesamtsystem zu ermöglichen. So geht aus der chinesischen Patentanmeldung CN 11191021 OA ein komplementäres, integriertes Wind-Solar-Wasserstoffspeicher-System hervor, das Windkraftanlagen, Solarfotovoltaik-Stromerzeugungsanlagen, Energiespeicheranlagen und Wasserelektrolyse- Wasserstoffproduktionsanlagen umfasst, wobei eine Wasserstoffspeichervorrichtung und ein Wasserstoffförderrohrnetz miteinander verbunden sind. Die Windkraftanlagen, die Fotovoltaik- Solaranlagen, die Speicheranlagen und die Wasserelektrolyse-Wasserstoffproduktionsanlagen sind über ein internes Stromnetz und nicht mit einem externen Stromnetz verbunden. Sie arbeiten also in einem isolierten Netzwerkmodus, Durch die Einrichtung des integrierten Wasserstoff Produktions- und Versorgungssystems mit Wind-Solar-Wasserstoffspeicher und isoliertem Netzbetrieb wird sauberer Ökostrom mit einer breiteren Anwendung in hochwertigen Wasserstoff umgewandelt und das Entwicklungsniveau für grüne Energie verbessert.
Aus der amerikanischen Patentanmeldung US 2014/0202154 A1 ist ein hohes mehrstöckiges Gebäude mit Solar-, Wind- und Wasserstoff-Subsystemen bekannt, die ein integriertes System für erneuerbare Energie darstellen. Das Solarsubsystem umfasst mehrere Fotovoltaikmodule zur Erzeugung einer ersten elektrischen Energiequelle und ein konzentriertes Solarthermiesystem zur Erzeugung einer zweiten elektrischen Energiequelle. Das konzentriertes Solarthermiesystem umfasst mehrere Richtspiegel, die dazu dienen, Sonnenenergie auf mehrere Dampf erzeugende Gefäße zu konzentrieren, um mit dem erzeugten Dampf die Turbine eines Generators anzutreiben. Das Wind-Teilsystem umfasst mindestens eine Windkraftanlage zur Erzeugung einer driten elektrischen Energiequelle, Das Wasserstoff-Subsystem umfasst ein künstliches Fotosynthesesystem durch Fotoelektrolyse zur Erzeugung von Wasserstoff sowie eine Brennstoffzelle, die den Wasserstoff zur Erzeugung einer vierten elektrischen Energiequelle durch umgekehrte Hydrolyse aufnimmt. Das künstliche Fotosynthesesystem erhält eine der ersten, zweiten und driten Stromquellen, um Wasserstoff von einer Flüssigkeit auf Wasserstoftoasts, insbesondere Wasser, zu trennen, um die Wasserstoffversorgung sicherzustellen. Das Wasserstoff-Subsystem umfasst ferner ein Speichersystem, um Wasserstoff zur späteren Verwendung in der Brennstoffzelle zu speichern.
Aus der amerikanischen Patentanmeldung US 2008/0127646 A1 sind ein System und ein Verfahren zur Erzeugung von Energie aus erneuerbaren Energiequellen sowie gegebenenfalls zum Verbrauch der Energie zur Erzeugung von Wasserstoff bekannt. Ein Gesamtsystemansatz verbessert die Effizienz, indem man die Stromerzeugung über einen größeren Bereich von Bedingungen und die elektrische Energie gemäß den Anforderungen des Wasserstoffkonverters steuert. Dies wird durch eine Gesamtsystemsteuerung ermöglicht, die das gesamte System dynamisch optimiert, um die verfügbaren Inputs wie erneuerbare gespeicherte Energie zu maximieren und gleichzeitig die maximal gewünschten Outputs wie Strom, Wasserstoff und Ertrag unter Berücksichtigung der endgültigen Kapazitäten der Komponenten und der historischen, aktuellen und vorhergesagten zukünftigen Daten bereitzustellen.
Aus dem deutschen Patent DE 10 2011 115 822 B4 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Versorgungszelle und Entsorgungszelle auf Wasser, Wasserstoff- und Sonnenenergiebasis zur Energieversorgung von Immobilien und Automobilen bekannt. Bei dem Verfahren wird das in der Immobilie anfallende Abwasser in der Zeile gereinigt. Der Feststoffanteil des Abwassers wird getrocknet, gelagert und dann einer speziellen Deponie zugeführt. Der flüssige Anteil des Abwassers wird auf Trinkwasserqualität gereinigt und für die Wasserstoffproduktion mittels Elektrolyse verwendet, wobei der anfallende Rest einer Versickerung zugeführt wird. Der Wasserstoff wird durch die Elektrolyse mithilfe von durch Sonnenenergie erzeugter Elektrizität produziert, mittels Wasserstoffverdichter verdichtet und in einem Wasserstofftank gelagert. Mithilfe eines mit dem Wasserstoff betriebenen Blockheizkraftwerks wird Wärme und elektrische Energie für eine Immobilie und elektrische Energie für Automobile erzeugt, wobei die produzierte Wärme in einen Speicher geleitet wird. Die elektrische Energie wird des Weiteren in ein Stadtkraftwerknetz über einen Plusminuszähler eingespeist, wobei das Stadtkraftwerknetz die Energie der Versorgungszelle und Entsorgungszelle von Computerprogrammen gesteuert anfordert und verteilt. Dabei wird die Energie in straßengeführte Leitungen zur induktiven Energieversorgung des Automobilverkehrs eingespeist.
Die bekannten Gesamtsystemansitze sind jedoch nicht für die Versorgung von Produktionsstätten mit klimaneutraier elektrischer und thermischer Energie optimiert. Denn einerseits weisen die Fertigungsanlagen häufig einen stark variierenden Energieverbrauch auf, was bei der Gesamtsystembetrachtung unbedingt berücksichtigt werden muss. Andererseits soll die Umgebung der Fertigungsanlagen konstante klimatische Bedingungen aufweisen. Die bisher bekannten integrierten Energiesysteme sind aber nicht in dem gewünschten Ausmaß in der Lage, diese sich widersprechenden Bedingungen zu erfüllen,
Aufgabe der vorliegenden Erfindung
Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zu Grunde, eine im Wesentlichen oder völlig autarke Produktionsstäte bereitzustellen, die mithilfe einer durch Sektorenkupplung integrierten Anlage klimaneutral mit thermischer und elektrischer Energie unter Verwendung von klimaneutral erzeugtem Wasserstoff versorgt werden kann. Dabei soll die autarke, klimaneutrale Energieversorgung einerseits den häufig stark variierenden Energieverbrauch der Fertigungsanlagen sicherstellen und andererseits die klimatischen Bedingungen in der Umgebung der Fertigungsanlagen konstant halten. Dabei soll die Produktionsstätte bei Tag und bei Nacht, bei hohen und tiefen Temperaturen, zu verschiedenen Jahreszeiten, in unterschiedlichen geographischen Umgebungen und Klimazonen die Produkte und Güter in gleichbleibender Qualität in der gewünschten Zeit liefern. Nicht zuletzt soll die autarke, klimaneutrale Energieversorgung der Produktionsstätte gegen schädliche äußere Einflüsse wie Sabotage oder Stromausfälle im öffentlichen Netz geschützt werden.
Die erfindungsgemäße Lösung
Demgemäß wurde die mit klimaneutraler, thermischer und elektrischer Energie versorgte, autarke Produktionsstätte gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gefunden, die im Folgenden als „erfindungsgemäße Produktionsstätte“ bezeichnet wird. Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Produktionsstätte gehen aus den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 11 hervor.
Außerdem wurde das Verfahren zur klimaneutralen Versorgung einer autarken Produktionsstätte mit elektrischer und thermischer Energie gemäß dem unabhängigen Anspruch 18 gefunden, welches im Folgenden als „erfindungsgemäßes Verfahren“ bezeichnet wird. Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens gehen aus den abhängigen Patentansprüchen 12 bis 14 hervor. Des Weiteren wurde die Verwendung der erfindungsgemäßen Produktionsstätte gemäß Patentanspruch 1 und des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Patentanspruch 12 zur klimaneutralen Herstellung, Verarbeitung und Bearbeitung von Gütern gefunden (vgl. Aspruch 15), Vorteile der Erfindung
Im Hinblick auf den Stand der Technik war es überraschend und für den Fachmann nicht vorhersehbar, dass die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zu Grunde lag, mithilfe der erfindungsgemäßen Produktionsstätte, des erfindungsgemäßen Verfahrens, der erfindungsgemäßen Verwendung und der erfindungsgemäßen Anlage gelöst werden konnte. Insbesondere war es überraschend, dass die erfindungsgemäße Produktionsstätte und die erfindungsgemäße sektorengekoppelte Anlage hervorragend in so gut wie allen Klimazonen und unter den unterschiedlichsten Wetterbedingungen und geographischen Bedingungen betrieben werden konnte. So konnten die erfindungsgemäße sektorengekoppelte Anlage und die erfindungsgemäße Produktionsstätte hervorragend an die wechselnden Wetter- und Temperaturbedingungen in gemäßigten Klimazonen mit ausgeprägten Jahreszeiten angepasst werden. Sie konnten an und in Wasserläufen, Seen und Meeren errichtet werden und deren Energien hervorragend nutzen.
Die erfindungsgemäße Produktionsstätte und die erfindungsgemäße Anlage war autark und konnten klimaneutral mit thermischer und elektrischer Energie unter Verwendung von klimaneutral erzeugtem Wasserstoff versorgt werden. Dabei konnte die autarke, klimaneutrale Energieversorgung einerseits den häufig stark variierenden Energieverbrauch der Fertigungs-, Verarbeitungs- und Bearbeitungsanlagen in den erfindungsgemäßen Produktionsstätten sicherstellen und andererseits die klimatischen Bedingungen in der Umgebung der Fertigungs-, Verarbeitungs- und Bearbeitungsanlagen konstant halten. Dadurch konnte die erfindungsgemäße Produktionsstätte bei Tag und bei Nacht, bei hohen und tiefen Temperaturen, zu verschiedenen Jahreszeiten, in unterschiedlichen geographischen Umgebungen und Klimazonen die Güter in gleichbleibender Qualität in der gewünschten Zeit liefern. Nicht zuletzt konnte die klimaneutrale Energieversorgung der erfindungsgemäßen Produktionsstätte gegen schädliche äußere Einflüsse wie Sabotage oder Stromausfälle im öffentlichen Netz sehr viel besser geschützt werden als eine nicht autarke Produktionsstätte.
Mithilfe der erfindungsgemäßen sektorengekoppelten Anlage konnten die unterschiedlichsten Objekte mit thermischer und elektrischer Energie autark versorgt werden, wodurch sich dieselben wesentlichen Vorteile wie bei der erfindungsgemäßen Produktionsstätte ergaben.
Weitere Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Produktionsstätte ist autark und wird mit klimaneutraler, thermischer und elektrischer Energie versorgt.
Die Energieversorgung ist eine sektorengekoppelte Anlage, die die folgenden Vorrichtungen oder Sektoren umfasst: mindestens zwei unterschiedliche sektorengekoppelte Anlagen zur Erzeugung von elektrischer Energie aus mindestens zwei, insbesondere zwei, Arten erneuerbarer Energien, mindestens eine elektrische Leitung von den mindestens zwei sektorengekoppelten Anlagen zu der Produktionsstätte, mindestens eine elektrische Leitung zu mindestens einer Wasserelektrolyseanlage oder zu mindestens einem Elektrolyseur; im Folgenden wird stets der Begriff Elektrolyseur verwendet, den mindestens einen Elektrolyseur mit mindestens einem Kathodenraum zur Erzeugung von Wasserstoff und mindestens einem Anodenraum zur Erzeugung von Sauerstoff (O2), mindestens eine Wasserstoffleitung von dem mindestens einen Kathodenraum des mindestens einen Elektrolyseurs zu mindestens einem Wasserstoffspeicher, mindestens eine Wasserstoffleitung von dem mindestens einen Wasserstoffspeicher zu der mindestens einen Brennkammer des mindestens einen Blockheizkraftwerks, mindestens eine elektrische Leitung von der mindestens einen Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie in dem mindestens einen Blockheizkraftwerk zu der eigentlichen Produktionsstätte und mindestens eine Abwärmeleitung von dem mindestens einen Blockheizkraftwerk zu der Produktionsstätte.
Eine erste bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Produktionsstätte umfasst mindestens eine Sauerstoffleitung von dem mindestens einen Anodenraum zu mindestens einem Sauerstoffspeicher.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Produktionsstäte umfasst mindestens eine Sauerstoffleitung von dem mindestens einen Sauerstoffspeicher zu dem mindestens einen Brennraum und des mindestens einen Blockheizkraftwerks und/oder zu mindestens einer Brennstoffzelle. Der besondere Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass der erzeugte Sauerstoff in der mindestens einen Brennkammer des mindestens einen Blockheizkraftwerks oder in der Brennstoffzelle genutzt werden kann, was die Energiebilanz der erfindungsgemäßen sektorengekoppeiten Anlage und der erfindungsgemäßen Produktionsstätte weiter verbessert. Des Weiteren kann der Sauerstoff in mindestens einer Brennstoffzelle zur Stromerzeugung genutzt werden. Dabei kann der erzeugte Wasserstoff vorteilhafterweise als Brennstoff verwendet werden.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Produktionsstätte und der erfindungsgemäßen Anlage liegt darin, dass ihre Sektoren energiegekoppelt sind, wodurch die Flexibilität gesteigert und die Energiebilanz noch einmal weiter verbessert wird.
Besonders vorteilhaft ist die Ausführungsform, bei der die Energieaufnahme, die Energieumwandlung und die Energieabgabe in den Sektoren durch eine elektronische Kontrolleinheit zentral überwacht und gesteuert wird.
Dabei ist es ein wesentlicher Vorteil, dass sich die energiegekoppelten Sektoren auf dem Betriebsgelände der Produktionsstätte befinden,
Die erfindungsgemäße Produktionsstätte und die erfindungsgemäße sektorengekoppelte Anlage nutzen bevorzugt mindestens zwei, insbesondere zwei, Arten von erneuerbaren Energien, die aus der Gruppe, bestehend aus Solarenergie, Wasserkraft, Meeresenergie, Windenergie, Bioenergie und Geothermie, ausgewählt sind.
Besonders bevorzugt nutzen die erfindungsgemäße Anlage und die erfindungsgemäße Produktionsstätte zur Energiegewinnung zwei unterschiedlichen Anlagen aus der Gruppe, bestehend aus Fotovoltaikanlagen, Solarthermieanlagen, Solarchemieanlagen, Aufwindkraftwerken, Staudämmen, Staumauern, Laufwasserkraftwerken, Wassermühlen, Strombojen, Vorrichtungen zur Nutzung der Wellenenergie des Meeres, Vorrichtungen zur Nutzung der Strömungsenergie des Meeres, Vorrichtungen zur Nutzung der Meereswärme, Osmosekraftwerken, Windkraftanlagen, Flugwindkraftwerken, Windmühlen, Biogasanlagen und geothermischen Kraftwerken,
Ganz besonders bevorzugt sind die mindestens zwei unterschiedlichen Anlagen mindestens eine Fotovoltaikanlage und mindestens eine Windkraftanlage.
Vorzugsweise hat die mindestens eine Fotovoltaikanlage einen Watt Peak von 1 MWp bis 10 MWp, bevorzugt 1 MWp bis 8 MWp und insbesondere 1 MWp bis 6 MWp unter Standard- Testbedingungen (STC) mit den folgenden Parametern: Zeltentemperatur = 25 °C; Bestrahlungsstärke = 1000 W/m2; Sonnenlichtspektrum gemäß AM (Luftmasse) = 1,5. Vorzugsweise hat die mindestens eine Windkraftanlage eine Nennleistung von 500 kW bis 3000 kW, bevorzugt 600 kW bis 2500 kW und insbesondere 700 kW bis 2000 kW bei einer Windgeschwindigkeit von 13 m/s und einer Drehzahl von 19 U/min.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Produktionsstätte wird als die mindestens eine Windkraftanlage eine Windkraftanlage der Firma Wind My Roof, Vincennes, Frankreich, verwendet, die z. B. in der europäischen Patentanmeldung EP 3786445 A1 beschrieben wird. Diese Windkraftanlage hat die folgenden wesentlichen Bestandteile: Eine Umhüllung, die zwei Seitenwände, eine untere Wand und eine obere Wand aufweist, die zusammen die Umhüllung mit einer Frontfläche und einer Rückfläche mit jeweils einer Öffnung definieren, sowie eine Gehäuse, worin sich eine Turbine befindet, die auf ihrer sich horizontal zwischen den beiden Seitenwinden erstreckenden Drehachse gelagert ist, wobei die Turbine durch einen Luftstrom, der an der Frontfläche eintritt beweglich ist, und wobei die Windkraftanlage einen Deflektor aufweist, der sich von dem unteren Teil der Frontfläche in Richtung der oberen Wand zum Inneren des Gehäuses hin erstreckt, wobei die obere Wand und der Deflektor zusammen einen Lufteinlasskanal definieren, der die Luft zur Turbine lenkt
Es ist ein ganz wesentlicher Vorteil dieser Windkraftanlagen, dass sie direkt auf Flachdächern der Gebäude der erfindungsgemäßen Produktionsstätte angebracht werden können. Dabei werden sie so an den Kanten der Flachdächer aufgesetzt, dass die an den Wänden der Gebäude von unten nach oben strömenden Luftströme durch die Deflektoren eingefangen zu den Turbinen gelenkt werden. Außerdem können auf ihren oberen Wänden Fotovoltaikanlagen angebracht werden, sodass besonders kompakte, sektorengekoppelte Anlagen zur Erzeugung elektrischer Energie resultieren.
Da eine Vielzahl dieser Windkraftanlagen zur Deckung des Energiebedarfs zusammengeschaltet werden können, kann die sektorengekoppelte Anlage optimal an einen variierenden Energiebarf einerseits und variierende Umweltbedingungen angepasst werden.
Vorzugsweise wird mindestens ein Elektrolyseur aus der Gruppe, bestehend aus alkalischen Hoch- und Niederdruckelektrolyseuren, Protonen-Austausch«Membran-(PEM)-EIektrolyseuren, Hochtemperatur-Elektrolyseuren, Molybdänsulfid-Elektrolyseuren und Nickel-Eisen- Elektrolyseuren, verwendet. Vorzugsweise wird mindestens ein Wasserstoffspeicher aus der Gruppe, bestehend aus Druckgasspeichern, Flüssiggasspeichern, transkritischen (cryo compressed) Speichern, adsorbtiven Speichern und Speichern mit flüssigen organischen Wasserstoffträgern (LOHC), verwendet.
Bevorzugt ist das mindestens eine Blockheizkraftwerk stromorientiert ist. Bei Bedarf kann zusätzlich mindestens ein wärmeorientiertes Blockheizkraftwerk verwendet werden.
Besonders bevorzugt wird die mindestens eine Vorrichtung oder Generator zur Erzeugung des elektrischen Stroms in dem Blockheizkraftwerk von einem Gasmotor betrieben. Der Gasmotor verwendet ganz besonders bevorzugt reinen Wasserstoff als Treibstoff. Sofern ein Erdgastank auf dem Betriebsgelände zur Verfügung steht kann auch ein Gemisch aus Wasserstoff und Erdgas verwendet werden.
Je nach Größe der erfindungsgemäßen Anlage beträgt die jährliche erzeugte elektrische Energie 1,0 GWh bis 1,0 TWh, vorzugsweise 1,0 GWh bis 800 GWh, bevorzugt 1,5 GWh bis 500 GWh, besonders bevorzugt 2 GWh bis 100 GWh, ganz besonders bevorzugt 2 GWh bis 50 GWh und insbesondere 2 GWh bis 10 GWh,
Es ist von Vorteil, wenn die von dem mindestens einen Blockheizkraftwerk erzeugte Abwärme für die Klimatisierung der erfindungsgemäßen Produktionsstätte verwendet wird.
Darüber hinaus umfasst die vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Produktionsstätte vorteilhafterweise Peripherien zur elektronischen, hydraulischen, pneumatischen und mechanischen Steuerung und zur Regelung und Messung der physikalischen und chemischen Parameter bei der Durchführung des nachstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens, Die Peripherie umfasst elektronische Datenverarbeitungsanlagen, elektrische, mechanische, hydraulische und pneumatische Aktuatoren sowie Druck-, Temperatur- und Durchflussmessgeräte und Sensoren für chemische Verbindungen. Des Weiteren umfasst die erfindungsgemäße Produktionsstätte Vorrichtungen und Anlagen für die Anlieferung, die Lagerung und den Abtransport von Produkten,
Erfindungsgemäß umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zur klimaneutralen Versorgung einer autarken Produktionsstätte mit elektrischer und thermischer Energie die folgenden Verfahrensschritte: (I) Erzeugung von elektrischer Energie in mindestens zwei unterschiedlichen sektorengekoppelten Anlagen aus mindestens zwei Arten erneuerbarer Energien,
(II) Leitung der erzeugten elektrischen Energie durch mindestens eine erste elektrische Leitung von den mindestens zwei unterschiedlichen sektorengekoppelten Anlagen zu der Produktionsstätte und/oder
(III) Leitung der erzeugten elektrischen Energie durch mindestens eine zweite elektrische Leitung zu mindestens einer Elektrolyseanlage oder mindestens einem Elektrolyseur,
(IV) Erzeugung von Wasserstoff (H2) in dem mindestens einen Kathodenraum und Erzeugung von Sauerstoff (O2) in dem mindestens einen Anodenraum des mindestens einen Elektrolyseurs,
(V) Leitung des erzeugten Wasserstoffs (H2) durch mindestens eine Wasserstoffleitung von dem mindestens einen Kathodenraum des mindestens einen Elektrolyseurs zu mindestens einem Wasserstoffspeicher,
(VI) Leitung des gespeicherten Wasserstoffs (Hz) durch mindestens eine Wasserstoffleitung von dem mindestens einen Wasserstoffspeicher zu der mindestens einen Brennkammer mindestens eines Blockheizkraftwerks,
(VII) Verbrennung des zugeführten Wasserstoffs (Hz) in der mindestens einen Brennkammer mit Luftsauerstoff und/oder gespeichertem Sauerstoff (O2),
(VII) Erzeugung von elektrischer Energie in der mindestens einen Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie des mindestens einen Blockheizkraftwerks,
(VIII) Leitung der erzeugten elektrischen Energie durch mindestens eine dritte elektrische Leitung von der mindestens einen Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie zu der
Produktionsstätte und
(IX) Leitung der von der mindestens einen Brennkammer erzeugten Abwärme durch mindestens eine Abwärmeleitung von dem Blockheizkraftwerk zu der Produktionsstätte. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der in dem mindestens einem Anodenraum erzeugte Sauerstoff (O2) durch mindestens eine Sauerstoffleitung zu mindestens einem Sauerstoffspeicher geleitet und darin gespeichert. Bevorzugt wird er als Gas oder bei tiefen Temperaturen als Flüssigkeit gespeichert.
In noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der in dem mindestens einen Sauerstoffspeicher gespeicherte Sauerstoff (O2) durch mindestens eine Sauerstoffleitung zu dem mindestens einen Brennraum des mindestens einen Blockheizkraftwerks geleitet, worin er den Wasserstoff (Ha) in mindestens einer Flamme verbrennt.
In noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der in dem mindestens einen Sauerstoffspeicher gespeicherte Sauerstoff (O2) in mindestens einer Brennstoffeelle zur Erzeugung von elektrischem Strom genutzt, Als Brennstoff wird vorzugsweise der Wasserstoff (Ha) aus dem mindestens einen Wasserstoffspeicher verwendet.
Besonders bevorzugt sind bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Sektoren zur Umwandlung, Erzeugung und Abgabe von Energie energiegekoppelt.
Ganz besonders bevorzugt werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Energieaufnahme, die Energieumwandlung und die Energieabgabe in den Sektoren durch eine elektronische Kontrolleinheit zentral gesteuert.
Insbesondere befinden sich die energiegekoppelten Sektoren zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf dem Betriebsgelände der Produktionsstätte.
Für das erfindungsgemäße Verfahren werden bevorzugt die vorstehend beschriebenen mindestens zwei Arten von erneuerbarer Energie verwendet.
Des Wetteren werden für das erfindungsgemäße Verfahren die vorstehend beschriebenen mindestens zwei unterschiedlichen Anlagen, insbesondere mindestens eine Fotovoltaikanlage und mindestens eine Windkraftanlage, beide wie vorstehend beschrieben, verwendet.
Außerdem wird für das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise mindestens eine der vorstehend beschriebenen Wasserelektrolyseanlagen oder mindestens einer der vorstehend beschriebenen Elektrolyseure verwendet. Darüber hinaus wird für das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise mindestens einer der vorstehend beschriebenen Wasserstoffspeicher verwendet. Bevorzugt ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das mindestens eine Blockheizkraftwerk stromorientiert, wobei die mindestens eine Vorrichtung zur Erzeugung des elektrischen Stroms von einem Gasmotor betrieben wird. insbesondere erzeugt das erfindungsgemäße Verfahren jährlich elektrische Energie in der Größenordnung der vorstehend angegebenen Bereiche.
Es ist ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, dass mit der von dem mindestens einen Blockheizkraftwerk erzeugten Abwärme die mindestens eine erfindungsgemäße Produktionsstätte klimatisiert werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt auf dem Betriebsgelände der erfindungsgemäßen Produktionsstätte durchgeführt. Die erfindungsgemäße Produktionsstätte dient der klimaneutralen Herstellung, der Bearbeitung und/oder der Verarbeitung von Gütern aller Art. Beispiele für erfindungsgemäße Produktionsstätten sind Metalle, Chemikalien, Kunststoffe, Nahrungsmittel und/oder Konsumgüter erzeugende, bearbeitende und/oder verarbeitende Betriebe.
Beispiele für Objekte, insbesondere stationäre Objekte, die durch die mindestens eine erfindungsgemäße sektorengekoppelte Anlage mit thermischer und elektrischer Energie versorgt werden, sind Hallen, Wohnhäuser, Hotels, Kliniken, Bahnhöfe, Flugzeugterminals und Hafenanlagen.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand des Fließschemas der Figur 1 näher erläutert. Der Fachmann kann anhand des Fließschemas jederzeit ohne eigenes erfinderisches Zutun weitere Konfigurationen der erfindungsgemäßen sektorengekoppelten Anlage zur autarken, kiimaneutralen Versorgung von Produktionsstätten mit thermisch und elektrischer Energie auffinden, ohne das Gebiet der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
In der Figur 1 haben die Bezugszeichen die folgende Bedeutung:
1 Produktionsstätte 2 Sektorengekoppelte Anlage durch erneuerbare Energien
2.1 bis
2.4 Sektorengekoppelte Anlagen zur Erzeugung von elektrischem Strom aus unterschiedlichen erneuerbaren Energien 3 Elektrolyseur
3.1 Kathodenraum
3.1.1 Wasserstoffleitung zum Wasserstoffspeicher 4
3.2 Anodenraum
3.2.1 Sauerstoffleitung zum Sauerstoffspeicher 3.2.2 3.2.2 Sauerstoffspeicher
3.2.3 Sauerstoffleitung zum Verbrennungsraum 5.1 des Blockheizkraftwerks 5
4 Wasserstoffspeicher
4.1 Wasserstoffleitung zur Brennkammer 5,1 des Blockheizkraftwerks 5
5 Blockheizkraftwerk 5.1 Brennkammer
5.2 Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie
E1 Elektrische Leitung von den Anlagen 2 zu der Produktionsstätte 1
E2 Elektrische Leitung von den Anlagen 2 zu der Elektrolyseanlage 3 E3 Elektrische Leitung von der Elektrizitätserzeugung 5.2 des Blockheizkraftwerks 5 zu der Produktionsstätte 1
H Abwärmeleitung vom Blockheizkraftwerk 5 zu der Produktionsstätte 1
H2 Wasserstoff
O2 Sauerstoff
Ausführliche Beschreibung einer erfindungsgemäßen Produktionsstätte 1 gemäß der
Figur 1
Auf dem Betriebsgelände einer metallverarbeitenden Produktionsstätte 1 befanden sich auf den Dächern der Produktionshallen und freien Flächen Fotovoltaikanlagen 2.1 einer Gesamtleistung oder einem Watt Peak von 2 MWp unter Standard-Testbedingungen (STC) mit den folgenden Parametern: Zellentemperatur = 25 °C; Bestrahlungsstärke = 1000 W/m2; Sonnenlichtspektrum gemäß AM (Luftmasse) = 1,5. Außerdem war eine Kleinwindkraftanlage 2,2 der Firma German Sustainabies GmbH mit einer Leistung von 1 MWp bei einer Windgeschwindigkeit von 13 m/s und einer Drehzahl von 19 U/min mit den Fotovoltaikanlagen 2.1 energiegekoppelt. Durch diese Konfiguration konnte beispielsweise bei starker Sonneneinstrahlung wie im Sommer die von den Fotovoltaikanlagen 2.1 erzeugte elektrische Energie durch elektrische Leitungen Ei zumindest teilweise direkt zu den verschiedenen Fertigungsanlagen, Bearbeitungsanlage und Verarbeitungsanlagen geleitet werden. Bei schlechtem, stürmischem Wetter konnte die Kleinwindkraftanlage 2.2 die direkte Versorgung der Fertigungsanlagen, Bearbeitungsanlage und Verarbeitungsanlagen mit Strom zumindest teilweise übernehmen.
Die von der Fotovoltaikanlagen 2.1 und der Kleinwindkraftanlage 2,2 erzeugte elektrische Energie wurde zumindest teilweise durch elektrische Leitungen E2 zu alkalischen Elektrolyseuren 3 geleitet, wie sie beispielsweise in der Firmenschrift „Alkalische Elektrolyse in der Industriellen Anwendung Wind to Gas - Speicherlösung Elektrolyse, 26.November 2012, VDI, IHK Gießen - Friedberg Mate Barisic, ELB Elektrolysetechnik“, ELB-Fräsentation-A-26-11 -2012-Barisic.pdf (seufert.org), beschrieben werden, geleitet. In den Kathodenräumen 3.1 der Elektrolyseure 3 wurde durch alkalische Druckelektrolyse Wasserstoff erzeugt, der über Wasserstoffdruckleitungen 3,1.1 in Gasspeicheranlagen 4 geleitet und dort zur weiteren Verwendung gespeichert wurde.
Der in den Anodenräumen 3.2 durch alkalische Druckelektrolyse erzeugte Sauerstoff wurde bei einer energetisch vorteilhaften Ausführungsform über Sauerstoffdruckleitungen 3,2,1 in Sauerstoffdruckgasspeicher 3.2.2 geleitet und dort zur weiteren Verwendung gespeichert.
Dadurch bestand die Möglichkeit, den erzeugten Sauerstoff in Brennstoffzellen zur Stromerzeugung zu nutzen. Dazu konnte auch der Wasserstoff H2 aus den Gasspeicheranlagen 4 mit Vorteil verwendet werden (Konfiguration in der Figur 1 nicht aufgeführt),
Außerdem bestand die Möglichkeit, den erzeugten Sauerstoff zusätzlich zu oder anstelle von Luftsauerstoff durch Sauerstoffleitungen 3.2.3 zu den Brennkammern 5.1 der energiegekoppelten, lokalen, stromorientierten Blockheizkraftwerken 5 zu leiten, und darin den durch die Wasserstoffleitungen 4.1 aus den Wasserstoffdruckgasspeichern zugeführten
Wasserstoff zu verbrennen. Durch den resultierenden Wasserdampf wurden Gasturbinen 5.2 zur Erzeugung elektrischer Energie angetrieben. Geeignete Blockheizkraftwerke 5 dieser Art werden beispielsweise von WOLF Power Systems (Wasserstoff-BHKW - WOLF Power Systems (wolf- ps.de)) vertrieben.
Die durch die stromorientierten Blockheizkraftwerke 5 erzeugte elektrische Energie wurde durch die elektrischen Leitungen E3 zu den verschiedenen Fertigungsanlagen, Bearbeitungsanlage und Verarbeitungsanlagen geleitet. Die erzeugte überschüssige Abwärme wurde durch Abwärmeleitungen H zu Zwecken der Klimatisierung in die Hallen der erfindungsgemäßen Produktionsstätte 1 geleitet. Durch diese erfindungsgemäße sektorengekoppelte Anlage mit den Sektoren 2.1; 2.2; 3; 4; 5 konnte jährlich elektrische Energie in der Höhe von 3,7 GWh klimaneutral erzeugt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Mit klimaneutraler, thermischer und elektrischer Energie versorgte, autarke Produktionsstätte (1), umfassend mindestens eine Anlage (2), umfassend mindestens eine sektorengekoppelte Fotovoltaikanlage (2.1 ) mit einem Watt Peak von 1 bis 10 MWp unter Standard-Testbedingungen (STC) mit den folgenden Parametern: Zellentemperatur = 25 °C; Bestrahlungsstärke = 1000 W/m2; Sonnenlichtspektrum gemäß AM (Luftmasse) = 1 ,5 und mindestens eine sektorengekoppelte Windkraftanlage (2.2) einer Nennleistung von 500 bis 3000 kW bei einer Windgeschwindigkeit von 13 m/s und einer Drehzahl von 19 U/min als den zwei unterschiedlichen sektorengekoppelten Anlagen (2.1; 2.2) zur Erzeugung elektrischer Energie, mindestens eine elektrische Leitung (E1) von den mindestens zwei sektorengekoppelte Anlagen (2.1 ; 2.2) zu der Produktionsstätte (1), mindestens eine elektrische Leitung (E2) zu mindestens einer Elektrolyseanlage (3), mindestens eine Wasserelektrolyseanlage (3) oder mindestens einem Elektrolyseur (3) mit mindestens einem Kathodenraum (3.1) zur Erzeugung von Wasserstoff (H2) und mindestens einem Anodenraum (3.2) zur Erzeugung von Sauerstoff (O2), mindestens eine Wasserstoffleitung (3.1.1) von dem mindestens einen Kathodenraum (3.1) des mindestens einen Elektrolyseurs (3) zu mindestens einem Wasserstoffspeicher (4), mindestens eine Wasserstoffleitung (4.1) von dem mindestens einen
Wasserstoffspeicher (4) zu der mindestens einen Brennkammer (5,1) mindestens eines Blockheizkraftwerks (5), mindestens eine Sauerstoffleitung (3,2.1) von dem mindestens einem
Anodenraum (3.2) zu mindestens einem Sauerstoffspeicher (3.2.2), mindestens eine Sauerstoffleitung (3.2.3) von dem mindestens einen
Sauerstoffspeicher (3.2.2) zu dem mindestens einen Brennraum (5.1) des mindestens einen Blockheizkraftwerks (5), mindestens eine elektrische Leitung (E3) von der mindestens einen Vorrichtung (5.2) des mindestens einen Blockheizkraftwerks (5) zur Erzeugung elektrischer Energie in dem mindestens einen Blockheizkraftwerk (5) zu der Produktionsstätte (1) und mindestens eine Abwärmeleitung (H) von dem mindestens einen Blockheizkraftwerk (5) zu der Produktionsstätte (1),
5 - wobei die Sektoren (2; 3; 4; 5) energiegekoppeit sind,
2. Produktionsstäte (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens Windkraftanlage (2.2) eine Umhüllung, die zwei Seitenwinde, eine untere Wand und eine obere Wand aufweist, die zusammen die Umhüllung mit einer Frontfläche und einer
10 . Rückfläche mit jeweils einer Öffnung definieren sowie eine Gehäuse, worin sich eine
Turbine befindet, die auf ihrer sich horizontal zwischen den beiden Seitenwinden erstreckenden Drehachse gelagert ist, umfasst, wobei die Turbine durch einen Luftstrom, der an der Frontfläche eintritt beweglich ist, und wobei die Windkraftanlage (2.2) einen Deflektor aufweist, der sich von dem unteren Teil der Frontfläche in Richtung der oberen
15 Wand zum Inneren des Gehäuses hin erstreckt, wobei die obere Wand und der Deflektor zusammen einen Lufteinlasskanal definieren, der die Luft zur Turbine lenkt.
3. Produktionsstätte (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieaufnahme, die Energieumwandlung und die Energieabgabe in den Sektoren (2; 3;
20 4; 5) durch eine elektronische Kontrolleinheit zentral steuerbar sind,
4. Produktionsstätte (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die energiegekoppelten Sektoren (2; 3; 4; 5) auf dem Betriebsgelände der Produktionsstätte (1) befinden.
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5. Produktionsstätte (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Wasserelektrolyseanlage (3) oder der mindestens eine Elektrolyseur (3) aus der Gruppe, bestehend aus alkalischen Elektrolyseuren, Protonen-Austausch- Membran (PEM)-Elektrolyseuren, Hochtemperatur-Elektrolyseuren, Molybdänsulfid-
30 Elektrolyseuren und Nickel-Eisen-Elektrolyseuren, ausgewählt ist.
6. Produktionsstätte (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wasserstoffspeicher (4) aus der Gruppe, bestehend aus Druckgasspeichern, Flüssiggasspeichern, transkritischen (cryo compressed) Speichern,
35 adsorbtiven Speichern und Speichern mit flüssigen organischen Wasserstoffträgern
(LOHC), ausgewählt ist.
7. Produktionsstätte (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Blockheizkraftwerk (5) stromorientiert ist.
8. Produktionsstäte (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Vorrichtung (5.2) zur Erzeugung des elektrischen Stroms von einem Gasmotor betreibbar ist oder mindestens eine Brennstoffzelle ist, die mit Wasserstoff H2 aus dem mindestens einem Wasserstoffspeicher (4) und Sauerstoff O2 aus dem mindestens einen Sauerstoffspeicher (3.2.2) betreibbar ist.
9. Produktionsstätte (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die jährliche erzeugte elektrische Energie 1,0 GWh bis 1 ,0 TWh beträgt.
10. Produktionsstätte (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem mindestens einen Blockheizkraftwerks (5) erzeugte Abwärme der
Klimatisierung der Produktionsstätte (1) dient.
11. Produktionsstätte (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Sauerstoffleitung (3.2.3) von dem mindestens einen Sauerstoffspeicher (3.2.2) zu dem mindestens einen Brennraum (5,1) des
Blockheizkraftwerks (5) zusätzlich mindestens eine Brennstoffeelle umfasst.
12. Verfahren zur klimaneutralen Versorgung einer autarken Produktionsstätte (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 mit elektrischer und thermischer Energie, umfassend die folgenden Verfahrensschritte:
(i) Erzeugung von elektrischer Energie aus zwei unterschiedlichen Arten erneuerbarer Energien in mindestens einer Fotovoltaikanlage (2.1) mit einem Watt Peak von 1 bis 10 MWp unter Standard-Testbedingungen (STC) mit den folgenden Parametern: Zellentemperatur = 25 °C; Bestrahlungsstärke = 1000 W/m2;
Sonnenlichtspektrum gemäß AM (Luftmasse) = 1,5 und mindestens einer Windkraftanlage (2.2) einer Nennleistung von 500 bis 3000 kW bei einer Windgeschwindigkeit von 13 m/s und einer Drehzahl von 19 U/min als mindestens zwei unterschiedliche sektorengekoppelt Anlagen {2; 2.1 bis 2.n) als den mindestens zwei unterschiedlichen sektorengekoppelten Anlagen (2; 2.1 bis 2.n), (II) Leitung der erzeugten elektrischen Energie durch mindestens eine elektrische Leitung (Ei) von den mindestens zwei Anlagen (2) zu der Produktionsstätte (1 ) und durch mindestens eine elektrische Leitung (Es) zu mindestens einer Elektrolyseanlage (3) oder mindestens einem Elektrolyseur (3) oder
(III) Leitung der erzeugten elektrischen Energie durch mindestens eine elektrische Leitung (E2) zu mindestens einer Elektrolyseanlage (3) oder mindestens einem Elektrolyseur (3)
(IV) Erzeugung von Wasserstoff (H2) in dem mindestens einen Kathodenraum (3.2) und Erzeugung von Sauerstoff (O2) in dem mindestens einen Anodenraum (3.1) des mindestens einen Elektrolyseurs (3),
(V) Leitung des erzeugten Wasserstoffs (Hs) durch mindestens eine Wasserstoffleitung (3.1.1) von dem mindestens einen Kathodenraum (3.1) des mindestens einen Elektrolyseurs (3) zu mindestens einem Wasserstoffspeicher
(4),
(VI) Leitung des gespeicherten Wasserstoffs (Hz) durch mindestens eine Wasserstoffleitung (4.1) von dem mindestens einen Wasserstoffspeicher (4) zu der mindestens einen Brennkammer (5.1) mindestens eines Blockheizkraftwerks (5),
(VII) Leitung des in dem mindestens einem Anodenraum (3.2) erzeugten Sauerstoffs (O2) durch mindestens eine Sauerstoffleitung (3.2.1) zu mindestens einem Sauerstoffspeicher (3.2.2) und dessen Speicherung darin,
(VIII) Leitung des in dem mindestens einen Sauerstoffspeicher (3.2.2) gespeicherten Sauerstoffs (O2) durch mindestens eine Sauerstoffleitung (3.2.3) zu der mindestens einen Brennkammer (5.1) des mindestens einen Blockheizkraftwerks
(5),
(IX) Verbrennung des zugeführten Wasserstoffs (H2) in der mindestens einen
Brennkammer (5.1) mit dem gespeicherten Sauerstoff (O2) oder Luftsauerstoff und gespeichertem Sauerstoff (O2), (X) Erzeugung von elektrischer Energie in mindestens einer Vorrichtung (5.2) des mindestens einen Blockheizkraftwerk (5),
(XI) Leitung der erzeugten elektrischen Energie durch mindestens eine elektrische Leitung (E3) von der mindestens einen Vorrichtung (5.2) zu der Produktionsstätte (1) und
(XII) Leitung der von der mindestens einen Brennkammer (5.1) erzeugten Abwärme durch mindestens eine Abwärmeleitung (H) von dem Blockheizkraftwerk (5) zu der Produktionsstätte (1).
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Sektoren (2; 3; 4; 5) energiegekoppelt werden.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieaufnahme, die Energieumwandlung und die Energieabgabe in den Sektoren (2; 3; 4; 5) durch eine elektronische Kontrolleinheit zentral gesteuert werden.
15. Verwendung der mit klimaneutraler, thermischer und elektrischer Energie versorgten, autarken Produktionsstätte (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 und des Verfahrens gemäß Anspruch 12 bis 14 zur klimaneutralen Herstellung, Verarbeitung und Bearbeitung von Gütern.
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