DE102011081169A1

DE102011081169A1 - Energiewandel- und Speicheranordnung

Info

Publication number: DE102011081169A1
Application number: DE102011081169A
Authority: DE
Inventors: Agnes Baumgärtner; Matthias Neumeister
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-08-18
Filing date: 2011-08-18
Publication date: 2013-02-21

Abstract

Es wird ein elektrischer Wandler zur Wandlung einer Gleich- oder Wechselspannung in eine Gleich- oder Wechselspannung angegeben, gekennzeichnet durch eine thermisch mit dem elektrischen Wandler gekoppelte Anordnung zur Durchführung einer Elektrolyse, derart ausgestaltet, dass die Abwärme des elektrischen Wandlers direkt oder indirekt zur Durchführung der Elektrolyse verwendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Energiewandel- und Speicheranordnung, insbesondere für Photovoltaik-Anlagen.
Die Aufgabe von elektrischen Wandlern besteht darin, Gleichspannung in Wechselspannung zu wandeln oder anders herum. Dies wird beispielsweise bei Photovoltaikanwendungen (PV) benötigt. Hierbei entsteht beispielsweise durch Schaltverluste Wärme, die mittels eines Kühlkreislaufes abgeführt werden muss.
Derzeit wird zur Abfuhr der Abwärme des Wechselrichters häufig eine Luftkühlung eingesetzt, die abhängig von den Umweltbedingungen einen hohen Wartungsaufwand hat, beispielsweise, weil Filterwechsel erforderlich sind.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung anzugeben, bei der ein verbesserter Umgang mit der Abwärme ermöglicht ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Energiewandel- und Speicheranordnung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Wechselrichteranordnung.
Die erfindungsgemäße Energiewandel- und Speicheranordnung weist einen elektrischen Wandler zur Wandlung einer Gleich- oder Wechselspannung in eine Gleich- oder Wechselspannung auf. Weiterhin weist die Energiewandel- und Speicheranordnung eine thermisch mit dem elektrischen Wandler gekoppelte Anordnung zur Durchführung einer Elektrolyse auf, derart ausgestaltet, dass die Abwärme des elektrischen Wandlers zur Temperatureinstellung der Anordnung zur Durchführung einer Elektrolyse verwendet wird.
Bei dem elektrischen Wandler kann es sich beispielsweise um einen Gleichrichter zur Wandlung einer Wechselspannung in eine Gleichspannung, einen Wechselrichter zur Wandlung einer Gleichspannung in eine Wechselspannung oder einen Umrichter handeln. Der elektrische Wandler kann auch ein DC/DC-Wandler zur Spannungsanpassung einer Gleichspannung sein.
Die Anordnung zur Durchführung einer Elektrolyse wandelt elektrische Energie in chemische Energie um. Dabei ist ein mögliches Ausgangsprodukt Wasserstoff. Das Ausgangsprodukt ist vorteilhaft langzeitstabil speicherbar und kann an verschiedenen Stellen als Energiequelle verwendet werden. So kann Wasserstoff beispielsweise zum Fahrzeugantrieb verwendet werden. Die Anordnung zur Durchführung einer Elektrolyse kann dabei auch ein Brennstoffzellensystem im Sinne einer Anordnung von einer oder mehreren umgekehrt betriebenen Brennstoffzellen sein. Die Brennstoffzellen werden dabei im umgekehrten Sinne ihrer normalen Verwendung eingesetzt, d. h. im Gegensatz zum Betrieb zur Erzeugung von Strom durch eine chemische Reaktion wird hier durch eingesetzten Strom die chemische Reaktion als Produkt angenommen. Begrifflich ist diese Betriebsart beispielsweise als Reverse-PEM oder PEM-Electrolyzer bekannt.
Vorteilhaft wird durch die erfindungsgemäße Energiewandel- und Speicheranordnung der Aufwand zur Kühlung des elektrischen Wandlers reduziert, da seine Abwärme von der zweckmäßig endothermen Elektrolyse genutzt wird.
Bei der Anordnung zur Durchführung einer Elektrolyse handelt es sich bevorzugt um eine Anordnung von umgekehrt betriebenen Brennstoffzellen, insbesondere von Alkalischen Brennstoffzellen (AFC) oder Niedertemperatur-Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (= PEM). Diese Brennstoffzellen arbeiten im gleichen Temperaturbereich wie der elektrische Wandler, beispielsweise die Alkalische Brennstoffzelle (= AFC) bei 60 °C bis 90 °C. Bei geeigneter Dimensionierung kann somit beispielsweise vorteilhaft die Kühleinrichtung für den elektrischen Wandler reduziert werden.
Bei der Anordnung zur Durchführung einer Elektrolyse kann es sich auch um eine Anordnung von umgekehrt betriebenen Brennstoffzellen handeln, die in einem höheren Temperaturbereich arbeiten, wie z. B. Festoxidbrennstoffzellen (SOFC). Diese verwenden die Niedertemperaturwärme des elektrischen Wandlers beispielsweise zur Verdampfung des benötigten Wassers, wodurch der Kühlaufwand für den elektrischen Wandler reduziert werden kann.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Energiewandel- und Speicheranordnung eine Einrichtung zur Rückspeisung der mittels der Elektrolyse gespeicherten Energie als elektrische Energie aufweist. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass die Anordnung zur Durchführung einer Elektrolyse auch zu einer kontrollierten Rückspeisung ausgestaltet ist. Im Prinzip muss die Rückspeisung aber nicht unbedingt durch die Anordnung zur Durchführung einer Elektrolyse selbst durchgeführt werden, sondern kann auch durch eine andere Einrichtung übernommen werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Energiewandel- und Speicheranordnung als Teil einer Photovoltaik-Anordnung eingerichtet ist. Die Photovoltaik-Anordnung weist daneben wenigstens ein Solarmodul zur Gewinnung elektrischer Energie aus dem Sonnenlicht und Einspeisung in ein Versorgungsnetz auf. Weiterhin ist die Anordnung zur Durchführung einer Elektrolyse ausgestaltet, nicht in das Versorgungsnetz eingespeiste elektrische Energie oder aus dem Versorgungsnetz aufzunehmende elektrische Energie zur Durchführung der Elektrolyse zu verwenden.
Es wird also mit anderen Worten die Elektrolyse in der PV-Anlage zur chemischen Speicherung nicht eingespeister oder aus dem Versorgungsnetz aufzunehmender, d. h. überschüssiger elektrischer Energie verwendet. Hier zeigt sich der besondere Vorteil der Kombination des elektrischen Wandlers mit der Anordnung zur Durchführung einer Elektrolyse, denn nicht nur wird die Abwärme des elektrischen Wandlers zur Energiespeicherung genutzt, sondern es wird mit dem gleichen Aufbau der typischerweise in einer PV-Anlage verwendete Akkumulator ersetzt. In einer alternativen Ausgestaltung wird der Akkumulator nicht vollständig ersetzt, sondern durch die Anordnung zur Durchführung einer Elektrolyse ergänzt. Der Akkumulator kann dabei vorteilhaft kleiner ausgelegt werden. Mittels der Elektrolyse wird aber eine verbesserte Gesamtenergienutzung gegenüber dem Akku erreicht und zusätzlich ist die Energie in Form des Elektrolyse-Produkts längerfristig speicherbar und kann gegebenenfalls auch an anderer Stelle als der PV-Anlage genutzt werden. Ebenso ist es möglich, die mittels der Elektrolyse gespeicherte Energie als elektrische Energie bei Bedarf im Versorgungsnetz rückzuspeisen. Im Gegensatz zur Elektrolyse, die mittels der Abwärme mit Wärme versorgt wird, muss der Akku unter Umständen beim Auf- und Entladen gekühlt werden.
Ein bevorzugtes, jedoch keinesfalls einschränkendes Ausführungsbeispiel für die Erfindung wird nunmehr anhand der Figur der Zeichnung näher erläutert. Die Figur zeigt dabei stark schematisiert eine Photovoltaik-Anlage 10.
Die Photovoltaik-Anlage 10 weist in diesem Beispiel ein Solarmodul 16 auf, wird aber im Realfall meist eine Mehrzahl von Solarmoduln 16 aufweisen. Das Solarmodul 16 ist über zwei Leiter mit einem Wechselrichter 13 verbunden, der die vom Solarmodul 16 ausgegebene Gleichspannung in eine dreiphasige Wechselspannung wandelt. Ausgangsseitig ist der Wechselrichter 13 über Drosseln 14 mit einem Versorgungsnetz 15 verbunden, in das die PV-Anlage 10 elektrische Energie einspeist.
Der Wechselrichter 13 bildet zusammen mit einer alkalischen Brennstoffzelle 12 eine Energiewandel- und Speicheranordnung 11. Die alkalische Brennstoffzelle 12 ist zum Einen thermisch mit dem Wechselrichter 13 gekoppelt. Die Abwärme des Wechselrichters 13 wird soweit als möglich und soweit als nötig zur alkalischen Brennstoffzelle 12 geleitet, um diese auf eine Temperatur von beispielsweise 150 °C zu bringen und dort zu halten. Im gegenwärtigen Beispiel ist die alkalische Brennstoffzelle 12 so ausgestaltet, dass ihr Energiebedarf ausreicht, um seinerseits die Kühlung des Wechselrichters 13 zu reduzieren.
Die alkalische Brennstoffzelle 12 ist zum Anderen elektrisch mit der DC-Seite des Wechselrichters 13 verbunden, um eine Aufnahme und Abgabe von elektrischer Energie zu ermöglichen. Die alkalische Brennstoffzelle 12 dient also in diesem Beispiel als Energiespeicher, sobald eine Einspeisung ins Versorgungsnetz 15 nicht benötigt wird bzw. Energie aus dem Versorgungsnetz gespeichert werden soll. Im vorliegenden Beispiel übernimmt eine in der Figur nicht dargestellte Steuerungsreinrichtung sowohl die Ansteuerung des Wechselrichters 13 als auch die Steuerung der alkalischen Brennstoffzelle 12, um die Funktionen der Energiespeicherung und Rückspeisung zu realisieren.

Claims

Energiewandel- und Speicheranordnung (11) mit einem elektrischen Wandler (13) zur Wandlung einer Gleich- oder Wechselspannung in eine Gleich- oder Wechselspannung, gekennzeichnet durch eine thermisch mit dem elektrischen Wandler (13) gekoppelte Anordnung (12) zur Durchführung einer Elektrolyse, derart ausgestaltet, dass die Abwärme des elektrischen Wandlers (13) zur Temperatureinstellung der Anordnung (12) zur Durchführung einer Elektrolyse verwendet wird.
Energiewandel- und Speicheranordnung (11) gemäß Anspruch 1, ausgestaltet zur Rückspeisung der mittels der Elektrolyse gespeicherten Energie als elektrische Energie.
Energiewandel- und Speicheranordnung (11) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei es sich bei der Anordnung (12) zur Durchführung einer Elektrolyse um einen Aufbau mit mindestens einer umgekehrt betriebene Brennstoffzelle, insbesondere einer Alkalischen Brennstoffzelle (12) oder Niedertemperatur-Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen handelt.
Energiewandel- und Speicheranordnung (11) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei es sich bei der Anordnung (12) zur Durchführung einer Elektrolyse um einen Aufbau mit mindestens einer umgekehrt betriebenen Hochtemperatur-Brennstoffzelle, insbesondere einer Festoxidbrennstoffzelle handelt, welche die Abwärme zur Wasserverdampfung verwendet.
Energiewandel- und Speicheranordnung (11) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der elektrische Wandler (13) ein Wechselrichter ist.
Photovoltaik-Anordnung (10) mit wenigstens einem Solarmodul (16) zur Gewinnung elektrischer Energie aus dem Sonnenlicht und Einspeisung in ein Versorgungsnetz (15), wenigstens einer Energiewandel- und Speicheranordnung (11) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Anordnung (12) zur Durchführung einer Elektrolyse weiterhin ausgestaltet ist, nicht in das Versorgungsnetz (15) eingespeiste elektrische Energie zur Durchführung der Elektrolyse zu verwenden.
Photovoltaik-Anordnung (10) gemäß Anspruch 6, ausgestaltet zur Rückspeisung der mittels der Elektrolyse gespeicherten Energie als elektrische Energie bei Bedarf im Versorgungsnetz (15).