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Die Erfindung geht aus von einer Anlage zur Bereitstellung von Wasserstoff, umfassend eine Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff durch elektrochemische Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb der Anlage.
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Zur Erzeugung von Strom werden vermehrt Photovoltaikanlagen und Windkraftanlagen eingesetzt. Da Photovoltaikanlagen jedoch nur bei Lichteinstrahlung und Windkraftanlagen bei Wind Strom produzieren, fallen die Zeiträume der Stromproduktion und der Stromnutzung nicht immer zusammen. Insbesondere bei zunehmender Anzahl an Kleinanlagen, wie sie zum Beispiel auf Dächern von Wohngebäuden eingesetzt werden, ist es daher sinnvoll, die gewonnene Energie zu speichern, wobei derzeitig eingesetzte Batterien, zum Beispiel Lithium-Ionen-Akkumulatoren nur eine begrenzte Lebensdauer haben. Eine Alternative ist die Erzeugung von Wasserstoff durch elektrolytische Spaltung von Wasser und eine Speicherung des Wasserstoffs. Dieser kann dann bei Bedarf in einer Brennstoffzelle wieder zur Stromerzeugung genutzt werden.
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Eine weitere bedeutende Entwicklung zeichnet sich im Bereich der sogenannten Smart-Grids ab. Mittels flächendeckender Mess- und Regeltechnik im Energiesektor und ausgeklügelter Softwarelösungen werden Verbraucher über intelligente Netzwerke optimiert gesteuert, um so das unstetige Angebot von Wind- und Sonnenstrom auszugleichen und die Stromnetze zu entlasten.
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Parallel hierzu werden derzeit die ersten serienreifen Brennstoffzellen-PKWs auf den Markt gebracht. Die Verbreitung dieser emissionsfreien Fahrzeuge hängt stark von der Anzahl der zugänglichen Wasserstofftankstellen ab. So soll zum Beispiel in Deutschland die Anzahl der Wasserstofftankstellen von derzeit rund einem Duzend auf 400 im Jahr 2023 ausgebaut werden.
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Es sind bereits Systeme bekannt, bei denen eine erneuerbare Energiequelle mit einem Batteriespeicher und mit hausinternen Verbrauchern verbunden wird. Ein solches System ist zum Beispiel aus der
US 2012/0166013 A1 bekannt. Zum Betrieb des Systems werden die aktuellen Leistungen einer Photovoltaik-Anlage als erneuerbarer Energiequelle, dem Batteriespeicher und dem hausinternen Verbraucher bestimmt und in einem nächsten Schritt die optimale Energieverteilung ermittelt, wobei der Batteriespeicher geladen oder entladen werden kann und Energie sowohl in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden kann oder aus dem öffentlichen Stromnetz bezogen werden kann.
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In der
EP 2 615 385 A wird ein Systemmanager für leistungsgeregelte Energiewandler beschrieben, bei dem jedem Erzeuger und jedem Verbraucher ein virtueller Preis zugeordnet wird. In den Arbeitspreisen können neben den reinen Energiekosten auch Netzentgelte, Investitionskosten und Laufzeiten integriert sein. Der Energieerzeuger mit dem geringsten Arbeitspreis erhält den Zuschlag. Das Verfahren wird dabei für Heizungssysteme mit Wärmepumpen genutzt.
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In der
US 2008/0135403 A1 wird eine Photovoltaikanlage mit einer Solarthermieanlage und einem Elektrolyseur sowie einem Metall-Hydrid-Tank kombiniert, um mittels Solarstrom Wasserstoff zu erzeugen und zu speichern. Das beschriebene Verfahren basiert auf einer Messung, die zeigt, dass die Wasserelektrolyse bei höheren Temperaturen mit besseren Wirkungsgraden abläuft. Tatsächlich ist das System unwirtschaftlich, da moderne PEM-Elektrolyseure auch bei niedrigen Temperaturen gute Wirkungsgrade aufweisen und die entstehende Wärme sogar abgeführt werden muss. Metall-Hydridspeicher arbeiten bei niedrigem Druck und sind zudem sehr teuer. Insbesondere der niedrige Druck ist für die Bereitstellung von Wasserstoff zur Betankung von Wasserstoff betriebenen Fahrzeugen nachteilig, da der Wasserstoff zur Betankung komprimiert werden muss.
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Eine mobile Wasserstofftankstelle ist in der
US 2005/0103400 A1 beschrieben, wobei eine Mehrzahl von großen Wassersstoffbehältern auf einem LWK-Anhänger untergebracht ist. Die Behälter stehen bereits unter hohem Druck, so dass für die Betankung keine Hilfsenergie und keine Kompression erforderlich sind. Das beschriebene Verfahren geht vor allem auf die Druckregelung während der Betankung eines angeschlossenen Brennstoffzellenfahrzeugs ein. Für eine hauseigene Wasserstofftankstelle im kleinen Leistungsbereich ist eine solche Wasserstofftankstelle jedoch nicht einsetzbar.
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Für mobile Brennstoffzellen-Anwendungen in Fahrzeugen wird grundsätzlich auch verflüssigter Wasserstoff in Betracht gezogen, da sein spezifischer Energieinhalt mit bis zu 8,5 MJ je Liter deutlich höher ist als bei Druckwasserstoff. R, Gross beschreibt in Linde – Berichte aus Technik und Wissenschaft 71/1994 die einzige großindustrielle Wasserstoff-Verflüssigungsanlage Deutschlands in Ingolstadt mit einer Kapazität von 4,4 Tonnen pro Tag. Hierbei wird Wasserstoff in einem geschlossenen Kreislauf durch Verdichtung, Wärmeabfuhr und Entspannung stufenweise abgekühlt und schließlich bei –253°C verflüssigt. Der Einsatz einer Entspannungsturbine und flüssigem Stickstoff als Kälteträger kennzeichnen hierbei das großtechnische Verfahren. Auch das Handling und die Speicherung von tiefkaltem verflüssigtem Wasserstoff sind technisch, sehr aufwendig und kostenintensiv.
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Ein großtechnisches Betankungsverfahren ist in der
WO 2002/064395 A2 beschrieben. Hier wird kryogener Wasserstoff aus einem unterirdischen Speicher verdampft und der gasförmige Wasserstoff über Verdichter auf einen hohen Enddruck gebracht. Das Verfahren eignet sich insbesondere für große öffentlich zugängliche Wasserstofftankstellen, an denen eine Vielzahl von Wasserstoffautos innerhalb von wenigen Minuten mit einem Druck von bis zu 700 bar betankt werden können. Das Verfahren ist jedoch sehr aufwendig und die Realisierung mit enormen Investitionskosten verbunden.
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Auch in der
DE 102 41 688 A1 wird ein Verfahren zur Steuerung einer Wasserstofftankstelle für große, öffentlich zugängliche Tankstellen beschrieben.
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Das
US-Patent US 7721682 B2 beschreibt eine Anlage sowie ein Verfahren zum Betanken eines Fahrzeugs mit einem wasserstoffangereicherten Gas. Diese Anlage umfasst wesentliche Komponenten wie eine Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff, Kompressor, Druckgasspeicher und Gasentnahmestutzen, mit denen ein Fahrzeug mit einem wasserstoffangereicherten Gas betankt werden kann. Grundsätzlich ist es denkbar, diese Anlage auch im kleinen Maßstab für die Anwendung im privaten Bereich zu konstruieren, wobei der vorgesehene Druck von bis zu 350 bar lediglich mit einem zweistufigen Verdichter zu erzielen ist, wodurch für kompakte Anlagen unverhältnismäßig hohe Investitionskosten anfallen.
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Eine Betankungseinrichtung für gasförmigen Wasserstoff, bei der Wasserstoff zunächst mit einem Verdichter auf ein mittleres Druckniveau verdichtet und zwischengespeichert wird und anschließend mit einem Hochdruckverdichter auf das hohe Druckniveau in den Fahrzeugtank gepumpt wird, ist in
EP 2 728 243 A1 beschrieben. Nach den Verdichtern ist je ein Gaskühler angeordnet, zusätzlich ist ein Ölkühler für den Hochdruckverdichter vorgesehen. Ein Sensor erkennt, wenn der Fahrzeugtank angeschlossen ist. Nachteil hier ist jedoch der Einsatz zweier Verdichter für eine kompakte Anlage.
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Eine Wasserstofftankstelle für einen Brennstoffzellen-PKW, die im privaten Bereich eingesetzt werden kann, wurde von der Firma Honda in „Honda eröffnet Solar-Wasserstoff-Tankstelle”, Honda Presseinformationen vom 28. März 2012 beschrieben. Bei dieser Wasserstofftankstelle wird das Fahrzeug über Nacht über einen Druckelektrolyseur und/oder einen kleinen Verdichter mit geringem Volumenstrom mit Wasserstoff betankt. Das System ist jedoch nicht in der Lage, den Tank bis zum Enddruck zu beladen. Auch ein Zwischenspeicher ist nicht vorgesehen. Das System soll mit Strom aus einer Photovoltaikanlage betrieben werden, der tagsüber in das Netz eingespeist wird. Nachts soll der Elektrolyseur mit „günstigem Nachtstrom” betrieben werden. Jegliche Vorteile einer zeitgerechten Stromnutzung aus einer Photovoltaikanlage und Energiemanagement- bzw. Smart-Grid-Potenzial sind damit nicht gegeben.
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In Wasserstoff-Spiegel 2/2016, „Auf der Suche nach der kleinen Lösung”, wurde eine mobile Wasserstofftankstelle für ein Eigenheim vorgestellt. Diese umfasst eine Photovoltaik-Anlage zur Stromerzeugung, einen Elektrolyseur, einen Verdichter und ein Betankungssystem für Wasserstofffahrzeuge. Nachteil ist jedoch die Speicherung des Wasserstoffs bei einem Druck von 700 bar, so dass große Verdichter eingesetzt werden müssen, die zudem hohe Investitionskosten erfordern.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Anlage zur Bereitstellung von Wasserstoff, umfassend eine Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff durch elektrochemische Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff bereitzustellen, mit der insbesondere im Privatbereich Wasserstoff erzeugt und bereitgestellt werden kann, der entweder zur Betankung eines mit Wasserstoff betriebenen Kraftfahrzeugs oder in einer Brennstoffzelle zur Stromerzeugung eingesetzt werden kann, wobei die Anlage eine Smart-Grid-Fähigkeit aufweist und kompakt genug ist, um in einer privaten Garage aufgestellt zu werden. Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Betrieb der Anlage bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird gelöst mit einer Anlage zur Bereitstellung von Wasserstoff, umfassend eine Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff durch elektrochemische Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff, eine Anlage zur Stromerzeugung sowie einen Kompressor, einen Druckgasspeicher und einen Gasentnahmestutzen, wobei ein Rohrleitungssystem umfasst ist, mit dem Wasserstoff aus der Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff zum Kompressor geleitet werden kann, vom Kompressor über ein Ventil zum Druckgasspeicher oder zum Gasentnahmestutzen und weiterhin Rohrleitungen zur Förderung von Wasserstoff vom Druckgasspeicher zum Gasentnahmestutzen umfasst sind, wobei Rohrleitungen umfasst sind zum Leiten von Wasserstoff direkt vom Druckgasspeicher zum Gasentnahmestutzen und weiterhin Rohrleitungen, mit denen das Gas vom Druckgasspeicher durch den Kompressor zum Gasentnahmestutzen geleitet werden kann, wobei das Rohrleitungssystem aufgebaut ist zur zweistufigen Nutzung des Kompressors, einmal zur Kompression des Wasserstoffs auf einen Druck bei der Speicherung des Wasserstoffs im Druckgasspeicher und andererseits bei der Entnahme des Wasserstoffs aus dem Druckgasspeicher zum Leiten des Wasserstoffs zum Gasentnahmestutzen zur Kompression auf einen Druck oberhalb des Drucks im Druckgasspeicher, wobei zur Steuerung des Gasflusses in der Rohrleitung von der Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff zum Kompressor, in der Rohrleitung vom Druckgasspeicher zum Kompressor, in der Rohrleitung vom Kompressor zum Druckgasspeicher, in der Rohrleitung vom Kompressor zum Gasentnahmestutzen und in der Rohrleitung vom Druckgasspeicher zum Gasentnahmestutzen Ventile aufgenommen sind, mit denen der Gasfluss unterbrochen werden kann.
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Durch den Aufbau des Rohrleitungssystems derart, dass Wasserstoff vom Druckgasspeicher durch den Kompressor zum Gasentnahmestutzen geleitet werden kann, ist es möglich, den Wasserstoff im Druckgasspeicher bei einem Druck zu speichern, der unterhalb des Maximaldrucks liegt. Wenn der Wasserstoff mit einem Druck am Gasentnahmestutzen abgegeben werden soll, der oberhalb des Drucks im Druckgasspeicher liegt, kann der Wasserstoff hierdurch im Kompressor weiter verdichtet werden. Diese zweistufige Nutzung des Kompressors, einmal zur Kompression auf einen Druck, bei dem der Wasserstoff gespeichert wird und andererseits bei Entnahme aus dem Druckgasspeicher auf einen Druck, der oberhalb des Drucks im Druckgasspeicher liegt, ist es möglich, einen kleineren Kompressor einzusetzen als erforderlich wäre wenn der Wasserstoff direkt auf Maximaldruck komprimiert werden müsste und der Wasserstoff bei Maximaldruck im Druckgasspeicher gespeichert wird. Zudem wird nur ein Kompressor benötigt, auf einen zusätzlichen zweiten Kompressor kann verzichtet werden, so dass ein kompakterer Aufbau der Anlage möglich ist.
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Um den in der Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff erzeugten Wasserstoff zu trocknen und zu reinigen, ist in einer bevorzugten Ausführungsform zwischen der Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff und dem Kompressor ein Gasaufbereiter positioniert. Die Reinigung des Wasserstoffs umfasst insbesondere die Entfernung von Sauerstoffbestandteilen. Hierzu ist der Gasaufbereiter zum Beispiel mit einem geeigneten Katalysator, beispielsweise auf Basis von Platin als katalytisch aktivem Material ausgestattet. Der Katalysator kann dabei zum Beispiel in Form einer strukturierten Packung, als Füllkörper oder auch als Granulat im Gasaufbereiter enthalten sein. Hierbei ist es besonders bevorzugt, wenn das katalytisch aktive Material auf einem Träger mit großer spezifischer Oberfläche aufgebracht ist. Weiterhin enthält der Gasaufbereiter vorzugsweise einen Absorber zur Entfernung von flüssigen Bestandteilen, insbesondere von Wasser. Als Absorber können zum Beispiel Zeolithe, insbesondere in Form von Füllkörperschüttungen, Granulaten oder strukturierten Packungen eingesetzt werden. Ebenso können Zeolithe eingesetzt werden, die auf der Oberfläche von Lamellen-Wärmeübertragern fixiert sind.
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Wenn der Gasaufbereiter einen Katalysator und einen Absorber enthält, ist der Gasaufbereiter vorzugsweise in einen Reaktorabschnitt mit dem Katalysator und einen Absorberabschnitt, in dem der Absorber enthalten ist, aufgeteilt. Hierbei können beide Abschnitte in einem Apparat enthalten sein oder jeder Abschnitt ist einem separaten Apparat angeordnet, wobei die Abschnitte so angeordnet sind, dass der Wasserstoff zuerst den Katalysator durchströmt und danach den Absorber, um bei der Reaktion entstehende Reaktionsprodukte, insbesondere bei der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff entstehendes Wasser ebenfalls aus dem Wasserstoff zu entfernen.
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Da der Wasserstoff bei der Kompression erwärmt wird, ist es vorteilhaft, in Strömungsrichtung des Wasserstoffs hinter dem Kompressor einen Gaskühler zu positionieren. Die Gaskühlung kann dabei direkt oder indirekt erfolgen. Bevorzugt ist der Einsatz einer indirekten Gaskühlung, zum Beispiel in Form eines beliebigen bekannten Wärmeübertragers. Geeignete Wärmeübertrager sind zum Beispiel Plattenwärmeübertrager, Rohrbündelwärmeübertrager, Spiralwärmeübertrager oder Rohrschlangen-Wärmeübertrager. Die Gaskühlung erfolgt dabei durch Wärmeübertragung an ein Kühlmedium, zum Beispiel Wasser. Der Wasserstoff und das Kühlmedium können dabei im Gleichstrom, im Gegenstrom, im Kreuzstrom oder in jeder beliebigen Kombination davon geführt werden. Besonders bevorzugt als Gaskühler sind Rohrschlangen-Wärmeübertrager bei denen Wasserstoff und Kühlmedium im Gegenstrom geführt werden.
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Da bei der Kompression des Wasserstoffs große Wärmemengen erzeugt werden, die in dem Gaskühler an das Kühlmedium abgegeben werden, ist es bevorzugt, die Wärme nachfolgend zu nutzen. Hierzu ist es zum Beispiel möglich, den Gaskühler mit einem Warmwassersystem und/oder einem Heizungssystem zu verbinden. Wenn der Gaskühler mit einem Warmwassersystem verbunden ist, wird Wasser als Kühlmedium zur Kühlung des Wasserstoffs genutzt. Im Gaskühler erwärmt sich das Wasser durch die vom Wasserstoff bei der Kühlung aufgenommene Wärme. Das erwärmte Wasser kann dann in einem Warmwasserspeicher gespeichert und bei Bedarf genutzt werden. Bei Verbindung des Gaskühlers mit einem Heizungssystem wird das Kühlmittel als Wärmemedium für die Beheizung beispielsweise in Wohngebäuden genutzt. In diesem Fall ist es ebenfalls bevorzugt, Wasser als Kühlmedium einzusetzen.
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Zur Stromversorgung der Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff kann Strom aus dem Stromnetz genutzt werden. Erfindungsgemäß ist zusätzlich eine Anlage zur Stromerzeugung umfasst. Die Anlage zur Stromerzeugung kann dabei konventionell betrieben werden, zum Beispiel in Form eines mit Gas oder Öl betriebenen Kleinkraftwerks. Hierbei ist es besonders bevorzugt, eine Anlage zur Kraft-Wärme-Kopplung einzusetzen. Gegenüber einer konventionell betriebenen Anlage zur Stromerzeugung ist es jedoch bevorzugt, wenn die Anlage zur Stromerzeugung erneuerbare Energien nutzt. Besonders bevorzugt ist die Anlage zur Stromerzeugung eine Photovoltaikanlage oder eine Windkraftanlage, insbesondere eine Photovoltaikanlage. Um den Wasserstoff möglichst günstig erzeugen zu können, ist es insbesondere bevorzugt, wenn die Anlage zur Bereitstellung von Wasserstoff eine Anlage zur Stromerzeugung umfasst und zusätzlich an das öffentliche Stromnetz angeschlossen ist. Hierdurch ist es möglich, den in der Anlage zur Stromerzeugung gewonnenen Strom zur Herstellung von Wasserstoff zu nutzen oder alternativ in das öffentliche Stromnetz einzuspeisen. Des Weiteren kann Strom aus dem öffentlichen Stromnetz zur Herstellung von Wasserstoff genutzt werden. Bevorzugt wird der Strom aus dem öffentlichen Netz genutzt, wenn die Anlage zur Stromerzeugung keinen Strom liefert oder wenn der Strom aus dem öffentlichen Netz günstiger ist als die Kosten für den in der Anlage zur Stromerzeugung gewonnenen Strom.
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Da Wasserstoff in Gegenwart von Sauerstoff hoch reaktiv ist, wird die Anlage zur Bereitstellung von Wasserstoff außerhalb von Gebäuden aufgestellt. Hierdurch wird verhindert, dass sich ein explosionsfähiges Gasgemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff im Gebäudeinneren sammeln kann. Da Wasserstoff aufgrund seiner geringen Dichte nach oben steigt und sich durch eine hohe Diffusionsgeschwindigkeit auch schnell verflüchtigt, ist ein mögliches Gehäuse, das die Anlage zur Bereitstellung von Wasserstoff umschließt passiv zu entlüften. Zur Vermeidung einer Zündung eines Wasserstoff und Sauerstoff enthaltenden Gemischs sind elektrische schaltende Einrichtungen, zum Beispiel Schalter oder Schütze unterhalb aller Wasserstoff produzierenden, transportierenden und lagernden Anlagenteile anzuordnen. Zusätzlich ist vorzugsweise eine Sicherheitseinrichtung umfasst, die bei Überschreitung von maximalen Systemdrücken und/oder Systemtemperaturen oder bei Detektion von aus der Anlage entweichendem Wasserstoff alle elektrischen Komponenten explosionsgeschützt abschaltet. Um aus der Anlage entweichenden Wasserstoff zu detektieren, ist vorzugsweise am höchsten Punkt der Anlage ein Wasserstoffdetektor angebracht. Zur Erfassung von Systemdrücken und Systemtemperaturen werden geeignete Drucksensoren oder Temperatursensoren eingesetzt. Die zu erfassenden Drücke sind dabei insbesondere der Druck hinter der Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff, der Druck im Druckgasspeicher und der Druck am Gasentnahmestutzen. Um zu vermeiden, dass Wasserstoff austreten kann, werden alle Verbindungen von einzelnen Anlagenteilen metallisch dichtend ausgeführt. Weiterhin müssen aus Sicherheitsgründen alle eingesetzten Bauteile für den Betrieb mit Wasserstoffzugelassen sein. Die Elektrotechnik wird nach ATEX-Richtlinien ausgeführt, um die notwendige Sicherheit zu gewährleisten.
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Um zu jeweils geeignetem Zeitpunkt Wasserstoff herzustellen und/oder zu entnehmen, umfasst die Anlage zur Bereitstellung von Wasserstoff in einer Ausführungsform eine Steuerungseinheit, mit der entsprechend vorgegebener Daten die Ventile, der Kompressor und die Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff angesteuert werden, um Wasserstoff zu erzeugen und diesen entweder in den Druckgasspeicher oder zum Gasentnahmestutzen zu leiten oder um Wasserstoff aus dem Druckgasspeicher zum Gasentnahmestutzen zu leiten oder um die Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff abzuschalten und keinen Wasserstoff aus dem Druckgasspeicher zu entnehmen. Die Steuerungseinheit umfasst dabei einen Prozessor und eine geeignete Software, wobei die Software auf einem Permanentspeicher oder einem wiederbeschreibbaren Speichermedium gespeichert sein kann. Bevorzugt ist die Software dabei auf einem internen Speichermedium gespeichert.
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Die Anlage zur Bereitstellung von Wasserstoff kann zum Beispiel zur Betankung von mit Wasserstoff betriebenen Fahrzeugen oder zur Stromerzeugung in einer mit Wasserstoff betriebenen Brennstoffzelle eingesetzt werden. Bevorzugt wird die Anlage zur Bereitstellung von Wasserstoff zur Betankung von mit Wasserstoff betriebenen Fahrzeugen eingesetzt. Hierbei ist es besonders bevorzugt, wenn die Anlage zur Bereitstellung von Wasserstoff in einem Carport oder an einem Stellplatz für ein Fahrzeug aufgestellt wird. Besonders geeignet ist die Anlage zur Bereitstellung von Wasserstoff dabei zur Aufstellung an einem Wohngebäude oder Geschäftsgebäude zugeordneten Stellplatz. Hierbei ist besonders bevorzugt, wenn die Anlage zur Stromerzeugung eine Photovoltaikanlage ist und die Solarzellen der Photovoltaikanlage auf dem Dach des Wohngebäudes oder Geschäftsgebäudes montiert sind.
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Die Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zum Betrieb einer entsprechenden Anlage zur Bereitstellung von Wasserstoff, umfassend folgende Schritte:
- (a) Prüfen, ob ein Verbraucher an den Gasentnahmestutzen angeschlossen ist und Messen des Drucks am Gasentnahmestutzen,
- (b) Messen des Drucks im Druckgasspeicher,
- (c) Erzeugen von Wasserstoff in der Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff und Zufuhr des Wasserstoffs zum Gasentnahmestutzen, wenn ein Verbraucher an den Gasentnahmestutzen angeschlossen ist und der Druck am Gasentnahmestutzen niedriger ist als der Druck, der im Kompressor erzeugt wird, oder
Erzeugen von Wasserstoff in der Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff und Zufuhr des Wasserstoffs in den Druckgasspeicher, wenn kein Verbraucher am Gasentnahmestutzen angeschlossen ist oder wenn ein Verbraucher am Gasentnahmestutzen angeschlossen ist und der Druck am Gasentnahmestutzen mindestens gleich hoch ist wie der Druck, der im Kompressor erzeugt wird, wobei die Erzeugung von Wasserstoff beendet wird, sobald ein oberer Druckgrenzwert im Druckgasspeicher erreicht wurde, oder
Zufuhr von Wasserstoff aus dem Druckgasspeicher zum Gasentnahmestutzen und keine Erzeugung von Wasserstoff in der Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff, wenn ein Verbraucher angeschlossen ist und der Druck am Gasentnahmestutzen niedriger ist als ein oberer Grenzwert, wobei der Wasserstoff aus dem Druckgasspeicher direkt zum Gasentnahmestutzen geleitet wird, wenn der Druck am Gasentnahmestutzen niedriger ist als der Druck im Druckgasspeicher und durch den Kompressor geleitet und dort weiter komprimiert wird, wenn der Druck im Druckgasspeicher niedriger ist als der Druck am Gasentnahmestutzen und unterbrechen der Zufuhr von Wasserstoff sobald der obere Grenzwert am Gasentnahmestutzen erreicht ist oder der im Kompressor erzeugte Druck gleich groß ist wie der Druck am Gasentnahmestutzen,
- (d) Abschalten der Erzeugung von Wasserstoff und keine Zufuhr von Wasserstoff zum Gasentnahmestutzen, wenn kein Verbraucher angeschlossen ist und der Druck im Druckgasspeicher dem oberen Druckgrenzwert im Druckgasspeicher entspricht.
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Das Verfahren erlaubt es, bei Bedarf Wasserstoff zu entnehmen, insbesondere ein Fahrzeug zu betanken. Hierbei ist es möglich, entweder direkt den in der Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff erzeugten Wasserstoff über den Gasentnahmestutzen zu entnehmen oder Wasserstoff aus dem Druckgasspeicher. Die Entnahme aus der Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff ist jedoch nur dann möglich, wenn der Druck am Gasentnahmestutzen niedriger ist als der Druck, der mit dem Kompressor erzeugt werden kann. Sobald der Druck am Gasentnahmestutzen, das heißt bei Betankung eines Fahrzeugs der Druck im Tank des Fahrzeugs, höher ist als der Druck, auf den der erzeugte Wasserstoff mit dem Kompressor gebracht werden kann, muss die Gasentnahme aus dem Druckgasspeicher erfolgen. Hierbei wird der Wasserstoff durch den Kompressor geleitet und so weiter komprimiert. Sobald der zulässige Maximaldruck im Tank des Fahrzeugs erreicht ist oder der Druck im Tank dem Druck entspricht, der mit dem Kompressor erzeugt werden kann, wird die Betankung beendet.
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Wenn kein Gas entnommen wird, kann Wasserstoff hergestellt und im Druckgasspeicher gespeichert werden. Die Herstellung von Wasserstoff wird spätestens dann beendet, wenn der Druckgasspeicher voll ist, das heißt der Druck im Druckgasspeicher dem Druck entspricht, auf den der hergestellte Wasserstoff mit dem Kompressor komprimiert werden kann.
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Zum ökonomischen Betrieb der Anlage werden für die Anlage zur Stromerzeugung ein systemspezifischer Strompreis und ein Grenzpreis für den wirtschaftlichen Betrieb der Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff bestimmt und basierend auf einem Vergleich von systemspezifischem Strompreis, Grenzpreis und Strompreis eines externen Stromerzeugers die Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff
- (i) mit dem in der Anlage zur Stromerzeugung hergestellten Strom betrieben wird, wenn der Strompreis des externen Stromerzeugers höher ist als der systemspezifische Strompreis oder
- (ii) mit externem Netzstrom betrieben wird, wenn der Strompreis des externen Stromerzeugers niedriger ist als der systemspezifische Strompreis, oder
- (iii) mit externem Netzstrom betrieben wird, wenn von einem externen Stromerzeuger eine Aufforderung zur Nutzung von Strom zur Entlastung des Stromnetzes gesendet wird, oder
- (iv) abgeschaltet wird, wenn in der Anlage zur Stromerzeugung kein Strom erzeugt werden kann und der Strompreis des externen Stromerzeugers den Grenzpreis überschreitet.
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Der Betrieb der Anlage mit externem Netzstrom oder mit dem in der Anlage zur Stromerzeugung hergestellten Strom abhängig vom Netzstrompreis und dem Grenzpreis für wirtschaftlichen Betrieb erlaubt immer die für den Verbraucher günstigste Herstellung von Wasserstoff. Die Möglichkeit des Betriebs mit externem Netzstrom – insbesondere auch auf Aufforderung zur Nutzung von Strom zur Entlastung des Stromnetzes – macht die Anlage zur Bereitstellung von Wasserstoff Smart-Grid-fähig.
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Um eine unökonomische Wasserstoffherstellung zu unterbinden wird die Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff abgeschaltet, wenn in der Anlage zur Stromerzeugung kein Strom erzeugt werden kann oder der Strompreis des externen Stromerzeugers für einen wirtschaftlichen Betrieb zu hoch ist. Eine Stromerzeugung in der Anlage zur Stromerzeugung ist bei Anlagen, die auf alternativen Energien beruhen, das heißt bei Photovoltaikanlagen oder Windkraftanlagen, nicht möglich, wenn die äußeren Bedingungen keine Stromerzeugung zulassen. Bei Photovoltaikanlagen ist dies insbesondere nachts oder auch bei starker Bewölkung, bei Windkraftanlagen immer dann, wenn kein oder nicht ausreichend Wind zum Betrieb der Anlage weht.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 ein Verfahrensfließbild der erfindungsgemäßen Anlage zur Bereitstellung von Wasserstoff,
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2 zeitliche Verläufe der voraussichtlichen Leistung der Anlage zur Stromerzeugung, der zu erwartenden Strompreise eines externen Stromanbieters und des Grenzpreises sowie des sich daraus ergebenden Betriebs der Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff.
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1 zeigt ein Verfahrensfließbild einer Anlage zur Bereitstellung von Wasserstoff.
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Eine Anlage zur Bereitstellung von Wasserstoff 100 umfasst eine Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff 101, in der Wasser mittels elektrischer Energie in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird. Als Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff 101 kann dabei jeder beliebige, dem Fachmann bekannte und geeignete Elektrolyseur eingesetzt werden. Der frei werdende Sauerstoff wird an die Umgebung abgegeben. Der Wasserstoff wird zunächst in einem Gasaufbereiter 102 gereinigt und getrocknet. Hierzu ist es zum Beispiel möglich, den hergestellten Wasserstoff über einen geeigneten Katalysator, beispielsweise einen Platinkatalysator zu führen, um Sauerstoffbestandteile abzureagieren. Weiterhin kann der Gasaufbereiter 102 einen Adsorber, beispielsweise einen Zeolith-Adsorber umfassen, um Wasseranteile aufzunehmen. Zur Regeneration kann der Adsorber mit einer elektrischen Beheizung versehen sein. Der Gasaufbereiter 102 kann gegebenenfalls ein ausreichend großes Volumen aufweisen, um als Gaspuffer zu dienen.
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Der Druck P1 des Gasaufbereiters 102 wird über einen Drucksensor 118 erfasst. Es ist eine mechanische oder elektronische Druckregeleinrichtung vorgesehen, die dafür sorgt, dass der Druck in der Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff 101 auf einem konstanten Niveau verbleibt, während der Druck im Gasaufbereiter 102 in Abhängigkeit des Kompressorbetriebs beispielsweise im Bereich zwischen 1 und 30 bar schwanken kann. Der gereinigte Wasserstoff wird nachfolgend durch eine Rohrleitung 122 mit einem ersten Ventil 105 zu einem Kompressor 103 geleitet und mit diesem auf ein höheres Druckniveau gebracht. Hierbei wird als Kompressor 103 insbesondere ein Membrankompressor eingesetzt, der von einem Elektromotor, üblicherweise einem Drehstrommotor, angetrieben wird. Die Regelung des Kompressors 103 zur Einhaltung des Druckbereiches im Gasaufbereiter 102 erfolgt durch Ein- und Ausschalten oder durch eine Drehzahlregelung mittels eines zusätzlichen Frequenzumrichters.
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Das verdichtete und aufgeheizte Gas wird nachfolgend in einem Gaskühler 104 abgekühlt. Für die Kühlung wird vorteilhafterweise Wasser aus dem Rücklauf 116 einer Gebäudeheizung oder eines Warmwasserbehälters verwendet, das eine mittlere Temperatur im Bereich von 20 bis 40°C aufweist. Das Wasser wird vorzugsweise zunächst durch die Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff 101 geleitet um die Abwärme des elektrochemischen Prozesses abzuführen. Nachfolgend wird das Wasser durch den Gaskühler 104 geleitet, wobei es sich auf bis zu 90°C aufheizen kann. Das aufgeheizte Wasser 117 kann in den Vorlauf der Gebäudeheizung oder eines Warmwasserbehälters eingespeist werden. Es ist auch eine umgekehrte Reihenfolge denkbar, indem das kalte Wasser 116 zunächst in den Gaskühler 104 geleitet wird, insbesondere um Wasserdampf auszukondensieren.
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Der verdichtete Wasserstoff wird nachfolgend über eine Rohrleitung 124 mit einem zweiten Ventil 108 in einen Druckgasspeicher 109 oder über eine Rohrleitung 125 mit einem dritten Ventil 107 und eine flexible Leitung 111 zu einem Gasentnahmestutzen 112 geleitet. Hier können Verbraucher, insbesondere wasserstoffbetriebene Fahrzeuge, angeschlossen und betankt werden. Ist ein Verbraucher angeschlossen, so wird dies von der Steuerungseinheit 114 registriert. Der Druck P3 am Gasentnahmestutzen 112 wird über einen Drucksensor 120 erfasst. Über eine zusätzliche Rohrleitung 123 mit einem vierten Ventil 106 kann auch Wasserstoff aus dem Druckgasspeicher 109 zu der Saugseite des Kompressors geleitet werden. Mit den Ventilen 105, 106, 107, 108 kann der Gasfluss unterbrochen werden.
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Die elektrische Energie zum Betrieb der Anlage stammt entweder aus einer Anlage zur Stromerzeugung 113 oder aus einem öffentlichen Stromnetz 115. Die Anlage zur Stromerzeugung ist vorteilhafter Weise eine Photovoltaikanlage und nutzt die tagsüber auftretenden Leistungsspitzen an günstigem Sonnenstrom. Nachts oder in trüben Winterwochen kann der Strom auch aus dem öffentlichen Stromnetz 115 bezogen werden. Eine elektronische Steuerungseinheit 114 mit Frequenzumrichter übernimmt hierbei das Energiemanagement und die Umwandlung von Gleichstrom (Anlage zur Stromerzeugung und Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff) in Wechselstrom (Stromnetz und Verdichter Antrieb) beziehungsweise umgekehrt.
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Für den Verdichtungsprozess ergeben sich drei getrennt zu betrachtende Prozess-Phasen.
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In einer ersten Phase erfolgt ein Ladebetrieb des Druckgasspeichers 109. Die erste Phase, in der der Ladebetrieb des Druckgasspeichers 109 erfolgt, kann durchgeführt werden, wenn kein Verbraucher am Gasentnahmestutzen 112 angeschlossen ist oder falls ein Verbraucher am Gasentnahmestutzen 112 angeschlossen ist, wenn der Druck P3 am Gasentnahmestutzen 112 höher ist als der maximal erzielbare Druck des Kompressors 103 bei Betrieb der Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff 101. Die Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff liefert im Allgemeinen ein maximalen Druck von 20 bis 30 bar und das Verdichtungsverhältnis des Kompressors 103 liegt bei bis zu 10, so dass der maximal erzielbare Druck bei Betrieb der Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff im Bereich von 200 bis 300 bar liegt. Eine weitere Voraussetzung für die Durchführung der ersten Phase ist, dass der Druck P1 der Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff zwischen einem minimalen Druck von vorzugsweise 1 bar und einem maximalen Druck von üblicherweise 30 bar liegt.
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Die Durchführung der ersten Phase erfolgt zum Beispiel tagsüber, wenn ein wasserstoffbetriebenes Fahrzeug üblicherweise nicht zu Hause steht, also nicht an die Anlage angeschlossen ist. In diesem Fall wird der elektrische Strom der Anlage zur Stromerzeugung 113 – vorzugsweise der Photovoltaikanlage – bei hoher Sonneneinstrahlung mit hoher Leistung in der Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff 101 umgesetzt. Es ist zudem möglich zusätzlichen günstigen Strom aus dem Netz zu beziehen, falls dies von Netzbetreiber angeboten oder gefordert wird. In der ersten Phase ist der Kompressor 103 im Speicher-Ladebetrieb. Das erste Ventil 105 und das zweite Ventil 108 sind offen, das dritte Ventil 107 und das vierte Ventil 106 sind geschlossen. Der erzeugte Wasserstoff wird in den Druckgasspeicher 109 gepumpt. Der Druck P2 des Druckgasspeichers 109 wird über einen Drucksensor 119 erfasst. Bei dem Druckgasspeicher 109 handelt es sich vorzugsweise um Standard-Stahlflaschen aus dem Großhandel, die mit bis zu 200 bar beladen werden können. Über Ventile 110 ist es möglich, handelsübliche Flaschenbündel aus 12 50-Liter-Flaschen mit einem Gesamtvolumen von 600 Litern auszutauschen, wenn zusätzlich Wasserstoff gekauft oder verkauft werden soll.
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Selbstverständlich ist es auch möglich, die erste Phase zu jedem anderen Zeitpunkt durchzuführen, an dem entweder kein Verbraucher am Gasentnahmestutzen 112 angeschlossen ist oder wenn der Druck am Gasentnahmestutzen 112 bei angeschlossenem Verbraucher höher ist als der maximal mit dem Kompressor 103 bei Betrieb der Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff 101 erreichbare Druck.
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In einer zweiten Phase erfolgt die Abgabe von Wasserstoff aus dem Druckgasspeicher über den Gasentnahmestutzen 112, zum Beispiel zur Betankung eines mit Wasserstoff betriebenen Fahrzeugs. Die zweite Phase wird durchgeführt, wenn ein Verbraucher am Gasentnahmestutzen 112 angeschlossen ist und der Druck P3 am Gasentnahmestutzen 112 kleiner ist als der maximale Druck am Gasentnahmestutzen 112. Der maximale Druck am Gasentnahmestutzen 112 liegt vorzugsweise bei 700 bar.
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Wenn der Druck P2 am Druckgasspeicher 109 kleiner ist als der Druck P3 am Gasentnahmestutzen 112 wird das vierte Ventil 106 und das dritte. Ventil 107 geöffnet, das erste Ventil 105 und das zweite Ventil 108 sind geschlossen. Auf diese Weise wird der Wasserstoff aus dem Druckgasspeicher 109 über den Kompressor 103 geführt und kann im Kompressor 103 weiter auf einen Druck komprimiert werden, der oberhalb dem Druck P3 am Gasentnahmestutzen 112 liegt. Bei Erreichen des maximalen Drucks am Gasentnahmestutzen 112 oder bei Erreichen eines Mindestdrucks P2 im Druckgasspeicher 109 werden alle Ventile 105, 106, 107, 108 geschlossen und der Entnahmevorgang beendet.
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Wenn der Druck P2 am Druckgasspeicher 109 höher ist als der Druck P3 am Gasentnahmestutzen 112 ist es auch möglich, direkt aus dem Druckgasspeicher 109 den Wasserstoff zum Gasentnahmestutzen zu leiten. In diesem Fall werden das zweite Ventil 108 und das dritte Ventil 107 geöffnet und das erste Ventil 105 und das vierte Ventil 106 geschlossen. Die Abgabe von Wasserstoff kann dann erfolgen, bis der Druck am Gasentnahmestutzen 112 dem Druck im Druckgasspeicher 109 entspricht. Sobald dies der Fall ist, können dann das zweite Ventil 108 geschlossen und das vierte Ventil 106 geöffnet werden, so dass der Wasserstoff für die weitere Abgabe durch den Kompressor 103 geleitet und dort weiter komprimiert wird.
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Der Gasentnahmestutzen 112 ist vorzugsweise ein standardisierter Betankungsstutzen mit automatisch öffnendem und schließendem Ventil. Das Ventil des Gasentnahmestutzens 112 wird erst aufgedrückt, wenn die Ankopplung an einen Verbraucher erfolgt ist. Auf diese Weise wird verhindert, dass Wasserstoff aus dem Gasentnahmestutzen 112 an die Umgebung entweichen kann. Der Drucksensor 120 erfasst den Druck P3 am Gasentnahmestutzen, der bei geöffnetem Ventil und mäßigem Volumenstrom näherungsweise dem Druck am Verbraucher, beispielsweise dem Druck im Fahrzeugtank entspricht. Für die Regelung des Systems ist es eine Rückmeldung erforderlich, die anzeigt, ob der Verbraucher richtig angekoppelt ist. Dies kann über einen zusätzlichen hier nicht dargestellten Sensor erfolgen oder über eine Verbindung die mit dem Bordcomputer des Fahrzeugs hergestellt wird.
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Die zweite Phase wird insbesondere dann durchgeführt, wenn in der Anlage zur Stromerzeugung 113 kein Strom erzeugt werden kann. Dies ist zum Beispiel abends oder nachts.
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In einer dritten Phase erfolgt eine Direktabgabe des Wasserstoffs an einen Verbraucher. Hierzu ist erforderlich, dass ein Verbraucher am Gasentnahmestutzen 112 angeschlossen ist und dass der Druck P3 am Gasentnahmestutzen 112 kleiner ist als der Druck, der mit dem Kompressor 103 bei der Wasserstofferzeugung in der Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff 101 erzeugt werden kann. Die dritte Phase wird dann durchgeführt, wenn. ein Verbraucher am Gasentnahmestutzen 112 angeschlossen ist und in der Anlage zur Stromerzeugung 113 Strom erzeugt werden kann, insbesondere tagsüber bei Sonnenschein oder ganztägig wenn Wind weht, sofern die Anlage zur Stromerzeugung 113 eine Windkraftanlage ist.
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Für diese dritte Phase werden das erste Ventil 105 und das dritte Ventil 107 geöffnet und das zweite Ventil 108 sowie das vierte Ventil 106 geschlossen. So wird der in der Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff 101 produzierte Wasserstoff direkt zum Gasentnahmestutzen 112 geleitet. Sobald der Druck P3 am Gasentnahmestutzen dem Druck entspricht, der mit dem Kompressor erzeugt werden kann, wird die Gasentnahme durch Schließen des dritten Ventils 107 beendet. Gleichzeitig kann auch die Herstellung von Wasserstoff beendet werden oder es wird das zweite Ventil 108 geöffnet und die erste Phase, in der der Druckgasspeicher 109 befüllt wird, durchgeführt.
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Zur Steuerung der Vorrichtung zur Bereitstellung von Wasserstoff 100 ist die Steuerungseinheit 114 vorgesehen. Über die Steuerungseinheit 114 erfolgen das Lastmanagement sowie die Regelung der Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff 101, des Kompressors 103 und der Ventile 105, 106, 107, 108. Zusätzliche Informationen können der Steuerungseinheit über eine externe Datenschnittstelle 121 bereitgestellt werden. Diese Informationen sind zum Beispiel Wetterdaten zur Bestimmung von Prognosen für die Anlage zur Stromerzeugung, die aktuellen Strompreise eines externen Stromanbieters oder die Aufforderung zur Nutzung von externem Netzstrom oder zur Einspeisung von Strom in das öffentliche Stromnetz.
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Die Steuerungseinheit 114 übernimmt vorzugsweise auch die Funktionen des Frequenzumrichters, Leistungsreglers sowie der Mess- und Regeltechnik-Einrichtungen. Die Anlage zur Stromerzeugung 113 leitet die produzierte elektrische Leistung zunächst an die Steuerungseinheit 114, die sie je nach Bedarf weiter verteilt. Über einen Drehstromanschluss kann diese in das öffentliche Stromnetz 115 eingespeist werden, oder sie wird an die Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff 101 und den Kompressor 103 übertragen. Die Energieflüsse zur Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff 101 und zum Kompressor 103 sind nicht umkehrbar. Steht jedoch beispielsweise nachts keine Leistung in der Anlage zur Stromerzeugung 113 zur Verfügung, so kann grundsätzlich auch Energie aus dem öffentlichen Stromnetz 115 entnommen werden, um die Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff 101 und den Kompressor 103 zu betreiben.
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Um einen sicheren Betrieb der Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff 101 und des Kompressors 103 zu ermöglichen ist ein 2-stufiger Freigabeprozess zu durchlaufen:
Die erste Freigabe ist die verfahrenstechnische Freigabe. Diese erfolgt im Wesentlichen auf Basis der Systemdrücke P1, P2 und P3 die mittels Drucksensoren 118, 119, 120 ermittelt und als Messwerte an die Steuerungseinheit übergeben werden. Über die Systemdrücke erfolgt dann die Auswahl der vorstehen beschriebenen Phasen 1 bis 3.
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Ein wesentliches Merkmal der Steuerungseinheit 114 ist die Kommunikation über die externe Datenschnittstelle 121 mit externen Dienstleistern, insbesondere mit Energieversorgern und Netzbetreibern, sowie mit Wetterdiensten zur Vorhersage der Leistung der Anlage zur Stromerzeugung 113, insbesondere der Photovoltaikanlage.
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Die zweite Freigabe ist eine wirtschaftliche Freigabe. Diese erfolgt auf Basis eines Vergleiches aus berechneten und übermittelten Strompreisen. Für die Berechnung/Abschätzung erfolgt zunächst ein Datenaustausch über die externe Datenschnittstelle 121 mit externen Dienstleistern. Die entsprechenden Daten sind in 2 als zeitlicher Tagesverlauf dargestellt. In einem ersten Schritt wird die voraussichtliche Leistung der Anlage zur Stromerzeugung 113 ermittelt. Diese ist beispielhaft in 2 im oberen System als Linie 210 dargestellt. Die voraussichtliche Leistung wird mittels Prognosedaten von einem externen Dienstleister, zum Beispiel einem Wetterdienst oder PV-Dienstleister, und anlagenspezifischer Daten ermittelt. Die ermittelte Leistung 210 der Anlage zur Stromerzeugung 113 kann nun als Tagesprofil an einen Energiedienstleister übermittelt werden, der diese Daten nutzt, um eine Strompreisprognose für den nächsten Tag zu erstellen. Der Energiedienstleister übermittelt dann im Gegenzug eine Prognose der voraussichtlichen Strompreise als Tagesprofil. Diese sind als Kurve 220 im mittleren System in 2 dargestellt. Diese zeitabhängigen Strompreise 220 werden nun in der Steuerungseinheit 114 verarbeitet und mit den anlagenspezifischen Preisen verglichen. Die Anlage zur Stromerzeugung liefert einen konstanten Strompreis 240, der sich aus den Investitionskosten der Anlage, dem durchschnittlichen Jahresertrag, dem Abschreibungszeitraum und eventuellen zusätzlichen Faktoren ergibt. Auf vergleichbare Weise kann ein Grenzpreis 230 für die Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff dargestellt werden. Neben den voraussichtlichen Vollbenutzungsstunden sollte hier der umgerechnete Preis für Wasserstoff an einer öffentlichen Tankstelle (inklusive Anfahrtskosten) als Vergleichswert herangezogen werden. Nur wenn der zur Verfügung stehende Strom einen Preis unterhalb des Grenzpreises 230 für Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff aufweist erfolgt eine wirtschaftliche Freigabe für die Wasserstoffproduktion. Die Wasserstoffproduktion ist im unteren System in 3 dargestellt und erfolgt zum einen nachts bei niedrigen Stromkosten des externen Stromanbieters. In der beispielhaften Darstellung ist dies gegeben, sobald eine nennenswerte Leistung der Anlage zur Stromerzeugung gegeben ist. Dies, ist mit Bezugszeichen 251 gekennzeichnet. Bei niedrigen Netzstrompreisen, beispielsweise bei hohem Windaufkommen nachts kann dies ebenfalls gegeben sein und ist mit Bezugszeichen 250 bezeichnet.
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Darüber hinaus ist das System dafür geeignet, Regelenergie zum Beispiel in Form von Minutenreserve an einen Netzbetreiber oder Dienstleister anzubieten. Mit dieser allgemein als „Smart Grid” bezeichneten Funktionalität kann auf intelligente Weise das Stromnetz effektiv entlastet werden. So kann beispielsweise an einem sonnigen Feiertag aufgrund der sehr hohen Netzeinspeisung von bestehenden Photovoltaikanlagen bei gleichzeitig niedrigem Stromverbrauch ein Überangebot im lokalen Netz vorhanden sein, das der Netzbetreiber nicht effizient ausgleichen kann. Hieraus können die in 2 dargestellten negativen Strompreise zwischen 10 und 14 Uhr zu Stande kommen. In diesem Fall würde die Steuerungseinheit 114 die eigenen Anlage zur Stromerzeugung 113 abregeln und stattdessen die Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff 101 mit Netzstrom betreiben, woraus sich ein doppelter Vorteil ergibt: Das Netz wird effektiv entlastet und mit dem Betrieb der Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff 101 kann ein zusätzlicher Gewinn durch negative Strompreise und/oder vergütete Regelenergie eingefahren werden.
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Als weitere Option ist es möglich, einen Heizungsregler zu integrieren. Da die Abwärme der Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff 101 und des Kompressors 103 in ein Heizungssystem eingekoppelt werden kann, ist es erforderlich, über einen Datenaustausch die Systeme aufeinander abzustimmen. Um die Abwärme effektiv nutzen zu können, sollte das Heizungs-/Warmwassersystem unmittelbar vor der Hauptbetriebsphase der Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff eine möglichst niedrige mittlere Temperatur aufweisen. Das kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Steuerungseinheit 114 eine Absenkung der Solltemperaturen für Heizen und Warmwasser in den Stunden vor der Beladung des Druckgasspeichers 109 bewirkt. Im Gegenzug kann ein priorisierter Wärmebedarf, der vom Heizungssystem an die Steuerungseinheit gemeldet wird, einen vorzeitigen Betrieb der Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff 101 erwirken. Das kann beispielsweise durch ein zeitweises künstliches Herabsetzen des Grenzpreises für die Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff 101 geschehen.
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Die Steuerungseinheit 114 arbeitet grundsätzlich nach zwei Mechanismen. Der erste ist die kontinuierliche Regelung auf Basis von aktuellen Istwerten. Dies beinhaltet sowohl die Messdaten (Drücke und Temperaturen) als auch die aktuellen Strompreise. Der zweite Mechanismus ist eine Prognose-Funktion. Hierbei wird auf Basis des aktuellen Beladungszustandes des Druckgasspeichers 109, der über die Druck P2 erfasst wird, und empirischer Daten abgeschätzt, wann im Tagesverlauf welche Kapazität verfügbar ist. Die hieraus resultierende Meldung ist maßgeblich für die Teilnahme an Smart-Grid-Ausschreibungen und Prognose-Funktionen. Mit einem 10-kW-Elektrolyseur als Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff 101 und einem handelsüblichen Gitterbox-Bundle aus 12 Stahlflaschen 50-Liter als Druckgasspeicher 109 kann eine Privatperson eine Kapazität anbieten, die ungefähr dem fünffachen aller derzeit üblichen (thermischen und elektrochemisch) Speicherkapazitäten entspricht. Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren tragen somit maßgeblich zur Lösung der aktuell aufkommenden Speicherproblematik und Netzüberlastung bei.
