DE102016208889A1 - Plant for providing hydrogen and method for operating the plant - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Bereitstellung von Wasserstoff (100), umfassend eine Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff (101) durch elektrochemische Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff, eine Anlage zur Stromerzeugung (113) sowie einen Kompressor (103), einen Druckgasspeicher (109) und einen Gasentnahmestutzen (112), wobei ein Rohrleitungssystem umfasst ist, mit dem Wasserstoff aus der Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff (101) zum Kompressor (103) geleitet werden kann, vom Kompressor (103) über ein Ventil (108; 107) zum Druckgasspeicher (109) oder zum Gasentnahmestutzen (112) und weiterhin Rohrleitungen zur Förderung von Wasserstoff vom Druckgasspeicher (109) zum Gasentnahmestutzen (112) umfasst sind, wobei Rohrleitungen umfasst sind, mit denen Wasserstoff direkt vom Druckgasspeicher (109) zum Gasentnahmestutzen (112) geleitet werden kann und weiterhin Rohrleitungen, mit denen der Wasserstoff vom Druckgasspeicher (109) durch den Kompressor (103) zum Gasentnahmestutzen (112) geleitet werden kann, wobei zur Steuerung des Gasflusses in der Rohrleitung von der Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff (101) zum Kompressor (103), in der Rohrleitung vom Druckgasspeicher (109) zum Kompressor (103), in der Rohrleitung vom Kompressor (103) zum Druckgasspeicher (109), in der Rohrleitung vom Kompressor (103) zum Gasentnahmestutzen (112) und in der Rohrleitung vom Druckgasspeicher (109) zum Gasentnahmestutzen (112) Ventile (105, 106, 107, 108) aufgenommen sind, mit denen der Gasfluss unterbrochen werden kann. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb der Anlage.The invention relates to a plant for the provision of hydrogen (100), comprising a device for producing hydrogen (101) by electrochemical dissociation of water into hydrogen and oxygen, a plant for power generation (113) and a compressor (103), a compressed gas storage ( 109) and a gas sampling nozzle (112), comprising a piping system, with which hydrogen can be passed from the device for producing hydrogen (101) to the compressor (103), from the compressor (103) via a valve (108; 107) to the compressed gas reservoir (109) or to the gas sampling nozzle (112) and further pipelines for conveying hydrogen from the compressed gas reservoir (109) to the gas sampling nozzle (112) are included, wherein pipes are included, with which hydrogen directly from the compressed gas storage (109) to the gas sampling nozzle (112) can be passed and also piping with which the hydrogen from the compressed gas storage (109) by the compressor (103) z to the gas outlet nozzle (112) can be passed, wherein for controlling the gas flow in the pipeline from the device for producing hydrogen (101) to the compressor (103), in the pipeline from the compressed gas storage (109) to the compressor (103), in the pipeline from the compressor (103) to the compressed gas reservoir (109), in the pipeline from the compressor (103) to the gas sampling nozzle (112) and in the pipeline from the compressed gas reservoir (109) to the gas sampling nozzle (112) valves (105, 106, 107, 108) are received with which the gas flow can be interrupted. The invention further relates to a method for operating the system.
Description
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.The invention is based on a system for providing hydrogen, comprising a device for the production of hydrogen by electrochemical cleavage of water into hydrogen and oxygen. Furthermore, the invention relates to a method for operating the system.
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.Photovoltaic plants and wind power plants are increasingly being used to generate electricity. However, since photovoltaic systems produce electricity only when exposed to light and wind turbines in windy conditions, the periods of electricity production and use of electricity do not always coincide. Especially with increasing number of small systems, such as those used on roofs of residential buildings, it is therefore useful to save the energy gained, with currently used batteries, for example, lithium-ion batteries have only a limited life. An alternative is the generation of hydrogen by electrolytic splitting of water and storage of the hydrogen. This can then be used again in a fuel cell for power generation when needed.
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.Another significant development is emerging in the field of smart grids. With comprehensive measurement and control technology in the energy sector and sophisticated software solutions, consumers are optimally controlled via intelligent networks in order to compensate for the unstable supply of wind and solar power and to relieve the power grids.
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.Parallel to this, the first production-ready fuel cell cars are currently being launched on the market. The distribution of these emission-free vehicles depends heavily on the number of accessible hydrogen refueling stations. For example, in Germany, the number of hydrogen refueling stations is to be increased from the current one-dozen to 400 in 2023.
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
In der
In der
Eine mobile Wasserstofftankstelle ist in der
Ein großtechnisches Betankungsverfahren ist in der
Auch in der
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
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.A hydrogen filling station for a fuel cell car that can be used in the private sector has been described by the Honda company in "Honda Solar Hydrogen Station", Honda Press Release dated March 28, 2012. At this hydrogen refueling station, the vehicle is refueled with hydrogen overnight via a pressure electrolyser and / or a small, low flow compressor. However, the system is unable to load the tank to final pressure. A cache is not provided. The system should be powered by electricity from a photovoltaic system, which is fed into the grid during the day. At night the electrolyser should be operated with "favorable night stream". Any advantages of a timely use of electricity from a photovoltaic system and energy management or smart grid potential are therefore not given.
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.In Hydrogen Mirror 2/2016, "In Search of the Small Solution", a mobile hydrogen filling station for a home was presented. This includes a photovoltaic system for power generation, an electrolyzer, a compressor and a refueling system for hydrogen vehicles. Disadvantage, however, is the storage of hydrogen at a pressure of 700 bar, so that large compressors must be used, which also require high investment costs.
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.The object of the present invention is therefore to provide a plant for the provision of hydrogen, comprising a device for the production of hydrogen by electrochemical cleavage of water into hydrogen and oxygen, can be generated and provided in particular in the private sector hydrogen, either for refueling a can be used with hydrogen-powered motor vehicle or in a fuel cell for power generation, the system has a smart grid capability and is compact enough to be placed in a private garage. It is a further object of the present invention to provide a method for operating the system.
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, mit denen Wasserstoff direkt vom Druckgasspeicher zum Gasentnahmestutzen geleitet werden kann und weiterhin Rohrleitungen, mit denen das Gas vom Druckgasspeicher durch den Kompressor zum Gasentnahmestutzen geleitet werden kann, 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.The object is achieved with a system for providing hydrogen, comprising a device for producing hydrogen by electrochemical cleavage of water into hydrogen and oxygen, a plant for power generation and a compressor, a compressed gas storage and a gas sampling pipe, wherein a piping system is included, with the hydrogen from the apparatus for producing hydrogen to the compressor can be passed from the compressor via a valve to the compressed gas storage or gas sampling nozzle and further comprising pipes for conveying hydrogen from the compressed gas storage to the gas sampling nozzle, wherein pipes are included, with which hydrogen directly from the compressed gas storage can be passed to the gas sampling nozzle and further piping with which the gas can be passed from the compressed gas storage by the compressor to the gas sampling nozzle, wherein for controlling the gas flow in the pipeline from the Vorricht for the production of hydrogen to the compressor, in the pipeline from the compressed gas reservoir to the compressor, in the pipeline from the compressor to the compressed gas reservoir, in the pipeline from the compressor to the gas outlet and in the pipeline from the compressed gas reservoir to the gas outlet, valves are included, with which the gas flow can be interrupted ,
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.Due to the structure of the piping system such that hydrogen can be passed from the compressed gas storage by the compressor to the gas sampling nozzle, it is possible to store the hydrogen in the compressed gas storage at a pressure which is below the maximum pressure. If the hydrogen is to be discharged at a pressure at the gas sampling nozzle, which is above the pressure in the compressed gas storage, the hydrogen can be further compressed in the compressor thereby. This two-stage use of the compressor, once for compression to a pressure at which the hydrogen is stored and on the other hand when removing from the compressed gas storage to a pressure which is above the pressure in the compressed gas storage, it is possible to use a smaller compressor than would be required if the hydrogen would have to be compressed directly to maximum pressure and the hydrogen is stored at maximum pressure in the compressed gas storage. In addition, only one compressor is needed, can be dispensed with an additional second compressor, so that a more compact design of the system is possible.
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.In order to dry and purify the hydrogen produced in the apparatus for producing hydrogen, in a preferred embodiment, a gas processor is positioned between the apparatus for producing hydrogen and the compressor. The purification of hydrogen In particular, it includes the removal of oxygen components. For this purpose, the gas conditioner, for example, equipped with a suitable catalyst, for example based on platinum as a catalytically active material. The catalyst can be contained in the gas conditioner, for example in the form of a structured packing, as a packing or as granules. In this case, it is particularly preferred if the catalytically active material is applied to a support with a large specific surface area. Furthermore, the gas conditioner preferably contains an absorber for removing liquid components, in particular water. As absorbers, for example, zeolites, in particular in the form of random packings, granules or structured packings can be used. Likewise, zeolites can be used which are fixed on the surface of lamella heat exchangers.
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.When the gas conditioner contains a catalyst and an absorber, the gas conditioner is preferably divided into a reactor section with the catalyst and an absorber section in which the absorber is contained. In this case, both sections can be contained in one apparatus or each section is arranged in a separate apparatus, wherein the sections are arranged such that the hydrogen first flows through the catalyst and then the absorber to reaction products formed in the reaction, in particular in the reaction of hydrogen and also to remove oxygen-evolved water from the hydrogen.
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. Since the hydrogen is heated during the compression, it is advantageous to position a gas cooler in the flow direction of the hydrogen behind the compressor. The gas cooling can be done directly or indirectly. The use of indirect gas cooling, for example in the form of any known heat exchanger, is preferred. Suitable heat exchangers are, for example, plate heat exchangers, shell and tube heat exchangers, spiral heat exchangers or tube coil heat exchangers. The gas cooling takes place by heat transfer to a cooling medium, for example water. The hydrogen and the cooling medium can be conducted in cocurrent, countercurrent, crossflow, or any combination thereof. Particularly preferred as a gas cooler tube coil heat exchanger in which hydrogen and cooling medium are passed in countercurrent.
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.Since, in the compression of hydrogen, large amounts of heat are generated in the gas cooler to the cooling medium, it is preferable to use the heat subsequently. For this purpose, it is possible, for example, to connect the gas cooler with a hot water system and / or a heating system. When the gas cooler is connected to a hot water system, water is used as a cooling medium to cool the hydrogen. In the gas cooler, the water is heated by the heat absorbed by the cooling of the hydrogen. The heated water can then be stored in a hot water tank and used as needed. When connecting the gas cooler with a heating system, the coolant is used as a heating medium for heating, for example, in residential buildings. In this case, it is also preferable to use water as a cooling medium.
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.To power the device for the production of hydrogen electricity from the power grid can be used. According to the invention, a plant for power generation is additionally included. The plant for power generation can be operated conventionally, for example in the form of a gas or oil operated small power plant. It is particularly preferred to use a plant for combined heat and power. However, compared to a conventionally operated plant for power generation, it is preferred if the plant for power generation uses renewable energy. Particularly preferably, the plant for power generation is a photovoltaic system or a wind turbine, in particular a photovoltaic system. In order to produce the hydrogen as cheaply as possible, it is particularly preferred if the plant for the provision of hydrogen comprises a plant for power generation and is additionally connected to the public power grid. This makes it possible to use the power generated in the plant for power generation for the production of hydrogen or alternatively feed into the public grid. Furthermore, electricity from the public power grid can be used to produce hydrogen. Preference is given to using the electricity from the public grid if the power generation plant does not supply electricity or if the electricity from the public grid is cheaper than the electricity generated in the power generation plant.
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 Wasserstoff zugelassen sein. Die Elektrotechnik wird nach ATEX-Richtlinien ausgeführt, um die notwendige Sicherheit zu gewährleisten.Since hydrogen is highly reactive in the presence of oxygen, the plant is deployed to provide hydrogen outside buildings. This prevents an explosive gas mixture of hydrogen and oxygen from accumulating inside the building. Since hydrogen rises due to its low density and also volatilizes quickly due to a high diffusion rate, a possible housing enclosing the system for providing hydrogen is to passively vent. To avoid ignition of a mixture containing hydrogen and oxygen are electrical switching devices, such as switches or contactors below all hydrogen-producing, transporting and storing plant parts. In addition, a safety device is preferably included which switches off all electrical components in an explosion-proof manner when exceeding maximum system pressures and / or system temperatures or when detecting hydrogen escaping from the system. In order to detect hydrogen escaping from the system, a hydrogen detector is preferably mounted at the highest point of the system. Suitable pressure sensors or temperature sensors are used to record system pressures and system temperatures. The pressures to be detected are in particular the pressure behind the device for the production of hydrogen, the pressure in the compressed gas storage and the pressure at the gas sampling nozzle. In order to prevent hydrogen from escaping, all connections of individual parts of the plant are made to be metallically sealed. Furthermore, for safety reasons, all components used must be approved for operation with hydrogen. The electrical engineering is carried out according to ATEX guidelines to ensure the necessary safety.
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.In order to produce and / or remove hydrogen at the appropriate time, in one embodiment the hydrogen supply installation comprises a control unit with which the valves, the compressor and the device for producing hydrogen are driven according to predetermined data in order to generate hydrogen and to direct this either in the compressed gas storage or gas sampling nozzle or to direct hydrogen from the compressed gas storage to the gas sampling nozzle or to shut off the device for producing hydrogen and remove hydrogen from the compressed gas storage. The control unit comprises a processor and suitable software, wherein the software can be stored on a non-volatile memory or a rewritable storage medium. Preferably, the software is stored on an internal storage medium.
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.The system for providing hydrogen can be used, for example, for refueling hydrogen-powered vehicles or for generating electricity in a hydrogen-powered fuel cell. Preferably, the plant is used to provide hydrogen for refueling of hydrogen-powered vehicles. In this case, it is particularly preferred if the system for providing hydrogen is set up in a carport or at a parking space for a vehicle. Particularly suitable is the plant for the provision of hydrogen in this case for installation at a residential building or commercial building associated parking space. It is particularly preferred if the system for generating electricity is a photovoltaic system and the solar cells of the photovoltaic system are mounted on the roof of the residential building or business building.
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.
- (a) checking that a consumer is connected to the gas sampling nozzle and measuring the pressure at the gas sampling nozzle;
- (b) measuring the pressure in the compressed gas reservoir,
- (C) generating hydrogen in the apparatus for producing hydrogen and supplying the hydrogen to the gas sampling nozzle when a consumer is connected to the gas sampling nozzle and the pressure at the gas sampling nozzle is lower than the pressure generated in the compressor or generating hydrogen in the device for producing hydrogen and supplying the hydrogen into the compressed gas storage when no consumer is connected to the gas sampling nozzle or when a consumer is connected to the gas sampling nozzle and the pressure at the gas sampling nozzle is at least equal to the pressure generated in the compressor, wherein the Generation of hydrogen is stopped when an upper pressure limit has been reached in the compressed gas storage, or supply of hydrogen from the compressed gas storage to the gas sampling nozzle and no generation of hydrogen in the device for producing hydrogen when a consumer is connected and the Druc k is lower than an upper limit, the hydrogen from the compressed gas storage is passed directly to the gas sampling nozzle when the pressure at the gas sampling nozzle is lower than the pressure in the compressed gas storage and passed through the compressor and further compressed there when the pressure in the compressed gas storage is lower than the pressure at the gas outlet nozzle and interrupt the supply of hydrogen as soon as the upper limit value is reached at the gas sampling nozzle or the pressure generated in the compressor is the same as the pressure at the gas sampling nozzle,
- (D) switching off the generation of hydrogen and no supply of hydrogen to the gas sampling nozzle when no consumer is connected and the pressure in the compressed gas storage tank corresponds to the upper pressure limit in the compressed gas storage.
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.The method makes it possible to remove hydrogen if necessary, in particular to fuel a vehicle. It is possible, either directly in the apparatus for the production of hydrogen to remove hydrogen generated via the gas sampling nozzle or hydrogen from the compressed gas storage. The removal from the device for the production of hydrogen, however, is only possible if the pressure at the gas outlet nozzle is lower than the pressure that can be generated with the compressor. As soon as the pressure at the gas sampling nozzle, that is to say when refueling a vehicle, the pressure in the tank of the vehicle is higher than the pressure at which the hydrogen produced can be brought to the compressor, the gas must be taken from the compressed gas reservoir. Here, the hydrogen is passed through the compressor and so on compressed. As soon as the maximum permissible pressure in the tank of the vehicle has been reached or the pressure in the tank corresponds to the pressure that can be generated by the compressor, refueling is terminated.
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.If no gas is withdrawn, hydrogen can be produced and stored in the compressed gas storage. The production of hydrogen is terminated at the latest when the compressed gas storage is full, that is, the pressure in the compressed gas storage corresponds to the pressure to which the produced hydrogen can be compressed with the compressor.
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.
- (i) is operated with the electricity produced in the power generation plant if the electricity price of the external electricity generator is higher than the system specific electricity price or
- (ii) is operated on an external mains supply when the electricity price of the external generator is lower than the system specific electricity price, or
- (iii) is operated on an external mains power supply when an external power generator sends a request to use power to relieve the power grid, or
- (iv) is switched off if electricity can not be generated in the power generation plant and the electricity price of the external electricity generator exceeds the marginal price.
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.The operation of the system with external mains power or with the power produced in the plant for electricity generation depending on the grid electricity price and the marginal price for economic operation always allows the most favorable for the consumer production of hydrogen. The possibility of operating with external mains power - in particular also on request for the use of electricity to relieve the power grid - makes the system for the provision of hydrogen smart grid-capable.
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.In order to prevent uneconomic hydrogen production, the apparatus for producing hydrogen is switched off when no power can be generated in the plant for power generation or the electricity price of the external power generator is too high for economical operation. Electricity generation in the power generation plant is not possible for plants based on alternative energy sources, ie photovoltaic systems or wind turbines, if the external conditions do not allow power generation. In photovoltaic systems, this is especially at night or in heavy cloud cover, wind turbines always when no or not enough wind blows to operate the system.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are illustrated in the figures and are explained in more detail in the following description.
Es zeigen:Show it:
Eine Anlage zur Bereitstellung von Wasserstoff
Der Druck P1 des Gasaufbereiters
Das verdichtete und aufgeheizte Gas wird nachfolgend in einem Gaskühler
Der verdichtete Wasserstoff wird nachfolgend über eine Rohrleitung
Die elektrische Energie zum Betrieb der Anlage stammt entweder aus einer Anlage zur Stromerzeugung
Für den Verdichtungsprozess ergeben sich drei getrennt zu betrachtende Prozess-Phasen.For the compression process, there are three process phases to be considered separately.
In einer ersten Phase erfolgt ein Ladebetrieb des Druckgasspeichers
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
Selbstverständlich ist es auch möglich, die erste Phase zu jedem anderen Zeitpunkt durchzuführen, an dem entweder kein Verbraucher am Gasentnahmestutzen
In einer zweiten Phase erfolgt die Abgabe von Wasserstoff aus dem Druckgasspeicher über den Gasentnahmestutzen
Wenn der Druck P2 am Druckgasspeicher
Wenn der Druck P2 am Druckgasspeicher
Der Gasentnahmestutzen
Die zweite Phase wird insbesondere dann durchgeführt, wenn in der Anlage zur Stromerzeugung
In einer dritten Phase erfolgt eine Direktabgabe des Wasserstoffs an einen Verbraucher. Hierzu ist erforderlich, dass ein Verbraucher am Gasentnahmestutzen
Für diese dritte Phase werden das erste Ventil
Zur Steuerung der Vorrichtung zur Bereitstellung von Wasserstoff
Die Steuerungseinheit
Um einen sicheren Betrieb der Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff
Die erste Freigabe ist die verfahrenstechnische Freigabe. Diese erfolgt im Wesentlichen auf Basis der Systemdrücke P1, P2 und P3 die mittels Drucksensoren
Ein wesentliches Merkmal der Steuerungseinheit
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
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
Als weitere Option ist es möglich, einen Heizungsregler zu integrieren. Da die Abwärme der Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff
Die Steuerungseinheit
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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