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DE102006010111A1 - Einrichtung zur Energieversorung von Gebäuden unter Nutzung der Sonnenenergie als Energiequelle - Google Patents

Einrichtung zur Energieversorung von Gebäuden unter Nutzung der Sonnenenergie als Energiequelle Download PDF

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Abstract

Eine Einrichtung zur Energieversorgung von Gebäuden (11) unter Nutzung der Sonnenenergie als Energiequelle besitzt eine erste Solarzellenvorrichtung (23) zur Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie, eine zweite Solarzellenvorrichtung (24) zur Umwandlung von Sonnenenergie in Wärmeenergie, eine Wasser-Elektrolyse-Vorrichtung (27) zum Zerlegen des Wassers in Wasserstoff und Sauerstoff mittels der von der ersten Solarzellenvorrichtung (23) gelieferten elektrischen Energie, eine Speichervorrichtung (31 bis 33) für den Wasserstoff und eine elektrische Speichervorrichtung (26) zur Schaffung einer autarken Energieversorgung ist ferner ein mit der Wasserstoff-Speichervorrichtung (31 bis 33) verbundener Brennstoffzellenblock (36) zur Erzeugung elektrischer Energie vorgesehen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Energieversorgung unter Nutzung der Sonnenenergie als Energiequelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Bekannt ist es, mit Hilfe von Solaranlagen Sonnenenergie als Energiequelle für Gebäude in Form von elektrischer Energie und/oder Wärmeenergie zu nutzen. Nachteilig hieran ist, dass im Sommer mehr Energie zur Verfügung steht als genutzt werden kann, während dies im Winter in unseren Breitengraden genau umgekehrt ist. Ein Speichern dieser Energieformen und Übertragen vom Sommer auf den Winter ist unmittelbar nicht zu erreichen.
  • Es ist deshalb bei einer aus der DE 34 13 772 A1 bekannten Einrichtung der eingangs genannten Art vorgeschlagen worden, die mit Hilfe der Fotovoltaik in elektrische Energie umgewandelte Sonnenenergie für die Elektrolyse von Wasser zu verwenden und den daraus abgespalteten Wasserstoff zu speichern, so dass der Wasserstoff dann zu entsprechenden Zeitpunkten einem Gasturbinengenerator zugeführt werden kann, der der Abgabe von elektrischer Energie und/oder von Wärmeenergie dient. Derartige Gasturbinengeneratoren sind jedoch einerseits aufwendig in der Herstellung und andererseits relativ voluminös, was zu einem unangemessenen Raumaufwand innerhalb eines solchen Gebäudes führt. Darüber hinaus sind solche Gasturbinengeneratoren laut. Außerdem ist von außen zusätzlicher Energiebedarf notwendig.
    •
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Einrichtung zur Energieversorgung von Gebäuden unter Nutzung der Sonnenenergie als Energiequelle der eingangs genannten Art zu schaffen, die weniger aufwendig ist und einen geringeren Platzbedarf benötigt sowie keine weitere äußere Energiequelle nutzen muss.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei einer Einrichtung der genannten Art die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale vorgesehen.
  • Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ist neben einer kleinbauenden Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus dem gespeicherten Wasserstoff eine im Wesentlichen autarke Energieversorgung eines Gebäudes über das ganze Jahr hinweg erreicht. Durch den Einsatz eines aus Kraftfahrzeugen bekannten Brennstoffzellenblocks in stationärer Form für ein Gebäude ist ein wesentlicher Vorteil im Hinblick auf eine wirtschaftliche Einsetzbarkeit und Durchführbarkeit einer autarken Energieversorgung erreicht.
  • Mit den Merkmalen nach Anspruch 2 ist eine über die unterschiedlichen Jahreszeiten hinweg einfache Verteilung und entsprechender Einsatz von unmittelbar gewonnener sowie bereits gespeicherter Energie erreicht.
  • Eine weitere Verbesserung der Energiegewinnung und -nutzung ist durch die Merkmale nach Anspruch 3 erreicht, da mit der Kühlung einerseits der Wirkungsgrad von Fotovoltaikanlagen verbessert und andererseits die abgeführte Wärmeenergie in anderer Weise genutzt werden kann.
  • Eine kleinbauendere Möglichkeit der Speicherung des in der Elektrolyse gewonnenen Wasserstoffs ergibt sich nach den Merkmalen des Anspruchs 4 und/oder 5.
  • Mit den Merkmalen nach Anspruch 6 ist eine Standardisierung und damit deutliche Kostensenkung derartiger Einrichtungen erreicht, wobei derartige modulare Energieblöcke gemäß Anspruch 7 in unterschiedlich großen Energieeinheiten vorgefertigt bzw. vormontiert sein können.
  • Weitere Einzelheiten der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben und erläutert ist. Die einzige Figur zeigt in einem schematischen Schnitt ein Gebäude mit einer Einrichtung zu deren autarken Energieversorgung unter Nutzung von Sonnenenergie als Energiequelle.
    •
  • Die in der Zeichnung dargestellte Einrichtung ist zur autarken Energieversorgung eines Gebäudes 11 unter ausschließlicher Nutzung von Sonnenergie als Energiequelle vorgesehen. Gemäß der Figur ist das Gebäude 11 beispielsweise als Einfamilienhaus ausgebildet, das mit einem optimal geneigten Satteldach 12 versehen ist und das hinsichtlich der Sonneneinstrahlung über den Tag hinweg optimal ausgerichtet ist. Unterhalb des Satteldaches 12 ist beispielsweise das Wohngeschoss 13 und darunter das mit einem Teil der Energieversorgungseinrichtung versehene Kellergeschoss 14. Die Außenwände 15 sind optimal mit einem Dämmmaterial 16 thermisch isoliert.
  • Die geneigten Dachflächen 21 und 22, die zum Dachraum 17 hin ebenfalls mit einem Dämmmaterial 16 thermisch isoliert sind, sind beim Ausführungsbeispiel jeweils sowohl mit einer ersten Solarzellenvorrichtung 23 zur Umwandlung von Sonnenergie in elektrische Energie als auch mit einer zweiten Solarzellenvorrichtung 24 zur Umwandlung von Sonnenergie in Wärmeenergie vorzugsweise vollflächig belegt. Dabei ist die Aufteilung der Dachflächen 21 und 22 bezüglich der Belegung mit der ersten und der zweiten Solarzellenvorrichtung 23, 24 entsprechend dem zu erwartenden Bedarf an unmittelbarer Wärmeenergie beziehungsweise an elektrischer Energie aufgeteilt. In nicht dargestellter Weise sind die Bereiche der ersten Solarzellenvorrichtung 23, die der Fotovoltaik dient, in nicht dargestellter Weise an ihrer Rückseite mit einer Wärmeleitungsvorrichtung versehen, über die die erste Solarzellenvorrichtung 23 zur Erhöhung ihres Wirkungsgrads gekühlt werden können und die Abwärme nutzbar gemacht werden kann.
  • Zur unmittelbaren bzw. mittelbaren Nutzung der Sonnenenergie durch Energieumwandlung sind im Kellergeschoss 14 eine Vielzahl von Aggregaten untergebracht.
  • Zur unmittelbaren Nutzung der elektrischen Energie aus der ersten Solarzellen- bzw. Fotovoltaikvorrichtung 23 ist eine elektrische Speichervorrichtung 26 vorgesehen, die beispielsweise aus einer oder mehreren Batterien und/oder Kondensatoren besteht. Entweder unmittelbar mit der Fotovoltaikvorrichtung 23 und/oder mit der elektrischen Speichervorrichtung 26 ist eine Elektrolysevorrichtung 27 verbunden, die der Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff dient. Ebenso ist das elektrische Versorgungssystem 28 des Gebäudes 11 beispielsweise über Wechselrichter unmittelbar mit der Fotovoltaikvorrichtung 23 oder ebenfalls beispielsweise über Wechselrichter mittelbar mit der elektrischen Speichervorrichtung 26 verbunden.
  • Die von der Elektrolysevorrichtung 27 gelieferten Gase, nämlich Wasserstoff und Sauerstoff werden unterschiedlich verwendet. Der Wasserstoff wird in einem Druckzwischenspeicher 31 gelagert, während der Sauerstoff beispielsweise zur Klimatisierung bzw. zur Verbesserung des Raumklimas in nicht dargestellter Weise dem Wohngeschoss 13 und ggf. dem Dachraum 17 zugeführt wird. Mit dem Druckzwischenspeicher 31 ist eine Verflüssigereinheit 32 verbunden, die mit der elektrischen Speichervorrichtung 26 und/oder über eine zentrale Steuereinheit 40 geregelt mit der Fotovoltaikvorrichtung 23 verbunden ist und der Verflüssigung des Wasserstoffs dient. Von der Verflüssigereinheit 32 aus gelangt der flüssige Wasserstoff in einen Wasserstoffflüssigspeicher 33.
  • Die Einrichtung zur autarken Energieversorgung des Gebäudes 11 besitzt ferner einen Brennstoffzellenblock 36, der mit dem Wasserstoffflüssigspeicher 33 verbunden ist und zusätzlich der Versorgung des Gebäudes 11 mit elektrischer Energie dient.
  • Ein Warmwasserspeicher 38 für das Warmwassersystem des Gebäudes 11 wird beispielsweise von der zweiten Solarzellenvorrichtung 24 in bekannter Weise mit Wärmeenergie versorgt. Außerdem kann die bei Kühlung der Fotovoltaikvorrichtung 23 sich ergebende Abwärme über eine Wärmepumpe ebenfalls dem Warmwassersystem 38 zugeführt werden. Entsprechend kann das Warmwassersystem 38 auch über eine Wärmepumpe mit Erdwärme versorgt oder über die Fotovoltaikvorrichtung 23 und/oder die elektrische Speichervorrichtung 26 und/oder den Brennstoffzellenblock 36 über elektrische Beheizung erhitzt werden. Die Wärmepumpe oder Wärmepumpen werden über die Fotovoltaikvorrichtung 23 und/oder die elektrische Speichervorrichtung 26 und/oder den Brennstoffzellenblock 36 mit elektrischer Energie versorgt.
  • Die Einrichtung zur autarken Energieversorgung des Gebäudes 11 besitzt außerdem eine zentrale Steuereinheit 40, die entsprechend den Witterungsbedingungen und entsprechend dem Energiebedarf der einzelnen Verbraucher die elektrische Energie sowie die thermische Energie verteilt. So wird beispielsweise die nicht unmittelbar zum Verbrauch benötigte elektrische Energie zunächst in der elektrischen Speichervorrichtung 26 gespeichert. Ist diese elektrische Speichervorrichtung gefüllt oder übersteigt die anfallende Energiemenge die Ladeleistung der elektrischen Speichervorrichtung 26, startet die Elektrolysevorrichtung 27, wobei dann der anfallende Wasserstoff über die Zwischenstufe der Verflüssigereinheit 32 dem Flüssigspeicher 33 zugeführt und dort gelagert wird.
  • Übersteigt der Energiebedarf die aktuelle anfallende Sonnenenergie, werden die elektrische Speichervorrichtung 26 sowie der Brennstoffzellenblock 36 zur Energieversorgung des Gebäudes 11 herangezogen. Hierbei verteilt sich der jeweilige Energiebeitrag entsprechend der geforderten Abnahme auf die einzelnen Verbraucher.
  • Wird ein Gebäude, das einen sehr geringen oder gar keinen Warmwasserbedarf hat, mit einer derartigen autarken Energieversorgung versehen, so kann es ggf. ausreichen, das Dach 12 ausschließlich mit Fotovoltaikvorrichtungen 23 zu belegen, also die zweite Solarzellenvorrichtung 24 wegzulassen, was bedeutet, dass dann der Wärmebedarf des Gebäudes durch elektrische Heizeinheiten zu befriedigen ist.
  • Des weiteren ist es möglich, nicht nur die Dachflächen 21, 22 sondern auch Wandflächen der Außenwände 15 mit insbesondere Fotovoltaikvorrichtungen 23 zu belegen.
  • Ein Energieblock, der beispielsweise einen Brennstoffzellenblock 36 einer zentralen Steuereinheit 40, eine Elektrolysevorrichtung 27, eine elektrische Speichervorrichtung 26, ggf. eine Wärmepumpe und weitere Nebenaggregate, wie Gebläse und dergleichen beinhaltet, kann in verschieden großen Leistungsmodulen, wie 5 kw, 10 kw, 20 kw, 50 kw, 100 kw, 200 kw, 500 kw und dergleichen vorgesehen sein. Dieser Energieblock wird dann vor Ort mit der ersten und/oder zweiten Solarzellenvorrichtung 23, 24 und den Aggregaten 31 bis 33 verbunden.

Claims (7)

  1. Einrichtung zur Energieversorgung von Gebäuden (11) unter Nutzung der Sonnenenergie als Energiequelle, mit: einer ersten Solarzellenvorrichtung (23) zur Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie, vorzugsweise einer zweiten Solarzellenvorrichtung (24) zur Umwandlung von Sonnenenergie in Wärmeenergie, einer Wasser-Elektrolyse-Vorrichtung (27) zum Zerlegen des Wassers in Wasserstoff und Sauerstoff mittels der von der ersten Solarzellenvorrichtung (23) gelieferten elektrischen Energie, einer Speichervorrichtung (31 bis 33) für den Wasserstoff und einer elektrischen Speichervorrichtung (26), gekennzeichnet durch einen mit der Wasserstoff-Speichervorrichtung (31 bis 33) verbundenen Brennstoffzellenblock (36) zur Erzeugung elektrischer Energie.
  2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Steuereinheit (40) zur Verteilung der elektrischen und/oder Wärmeenergie an Verbraucher (27; 28; 38) und/oder die Speichervorrichtungen (26; 31 bis 33).
  3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Kühlvorrichtung für die erste Solarzellenvorrichtung (23) und einer Wärmepumpe mit Wärmespeicher.
  4. Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichervorrichtung für den Wasserstoff einen Verflüssiger (32) und einen Flüssigspeicher (33) aufweist.
  5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verflüssiger (32) mit der ersten Solarzellenvorrichtung (23) verbunden ist.
  6. Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein modularer Energieblock aus Steuereinheit (40), Elektrolysevorrichtung (27), Brennstoffzellenblock (36), Speichereinheiten (26; 31 bis 33) und Wärmepumpe(n) vorgesehen ist.
  7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieblock als Modul bestimmter Leistungsgröße vorbereitet ist.
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