AT412044B - Verfahren zum optimierten betrieb einer anlage zur erzeugung von thermischer energie - Google Patents
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Description
<Desc/Clms Page number 1> Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum optimierten Betrieb einer Anlage zur Erzeu- gung von thermischer Energie, vorzugsweise zur gleichzeitigen Erzeugung von elektrischer und thermischer Energie mit einem Brennstoffzellenheizgerät und einer Vorrichtung zum Speichern von thermischer Energie. Brennstoffzellenanlagen, welche über einen Reformer mit wasserstoffreichem Brenngas ver- sorgt werden, sollten möglichst nicht taktend, sondem vielmehr mit langen Laufzeiten betrieben werden, da das Anfahren der Anlage den Verschleiss des Reformers fördert und mit Energieverlus- ten behaftet ist. Da nicht stets eine konstante Energiemenge benötigt wird, kann ein Abschalten dadurch ver- mieden werden, dass die Anlage temporär modulierend, d. h. mit Teillast betrieben wird. Da jedoch das Verhältnis zwischen angeforderter Wärme und angefordertem Strom nicht konstant ist, muss die nicht benötigte Energie abgeführt oder zwischengespeichert werden. Stromspeicher sind zur Zeit nicht wirtschaftlich, so dass man bei Brennstoffzellenanlagen überschüssigen Strom in der Regel in das Netz einspeist. Demgegenüber kann Wärme leicht mit handelsüblichen Warmwasser- speichern gespeichert werden. Bei Warmwasserspeichern gibt es Schichtenspeicher, welche sich dadurch auszeichnen, dass das Temperaturniveau von oben nach unten abnimmt. Brauchwasserschichtenspeicher werden von unten mit kaltem Brauchwasser befüllt. Aus dem unteren Bereich wird kühles Wasser ent- nommen, einer Heizeinrichtung zugeführt, dort erhitzt und dem oberen Bereich des Speichers wieder zugeführt. Hierdurch entsteht - insbesondere bei geringen Turbulenzen oben - genannte Temperaturschichtung. Warmes Brauchwasser kann dem oberen Bereich des Speichers entnom- men werden. Aus der DE 199 12 569 A1 ist ein Schichtenspeicher bekannt, der von einem Brennwertgerät geladen wird. Brennwertgeräte verbrennen unmittelbar Erdgas, Flüssiggas oder Heizöl, weshalb sie ohne Probleme ein- und ausgeschaltet werden können. Demgegenüber besteht bei Brennstoff- zellen das Problem, das Ein- und Ausschalten vermieden werden sollte, da der meist vorhandene Reformer sehr träge ist und die Brennstoffzellen durch das Ein- und Ausschalten stark verschlei- #en. Konventionelle Schichtenspeicher werden auf einem Temperaturniveau gehalten, welches den Hygieneanforderungen (z. B. Vermeidung von Legionellenbildung) und dem Komfortbedarf ent- spricht. Ein derartig hohes Temperaturniveau würde bei Brennstoffzellenanlagen dazu führen, dass die Brennstoffzelle taktend betrieben werden müsste, was jedoch aufgrund der Trägheit des Reformers zu vermeiden ist und auch die Lebensdauer der Brennstoffzelle erheblich vermindern würde. Ziel der Erfindung ist es, diesen Nachteil zu vermeiden und eine Anlage zur Erzeugung von thermischer Energie vorzugsweise mit einem Brennstoffzellenheizgerät und einer Vorrichtung zum Speichern von thermischer Energie der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, die sich durch hohe Aufnahmefähigkeit von thermischer Energie der Anlage auszeichnet. Erfindungsgemäss wird dies bei einem Verfahren gemäss dem unabhängigen Anspruch 1 da- durch erreicht, dass die Leistungsregelung der Anlage und gegebenenfalls des Zusatzheizgerätes in Abhängigkeit der Temperatur eines Sensors, der sich im mittleren Bereich des Speichers befin- det, erfolgt. Gemäss den Merkmalen des Anspruchs 2 ergibt sich der Vorteil, dass eine rasche Speicherla- dung gemäss gewissen Komfortanforderungen erzielt wird. Durch die Merkmale des Anspruchs 3 wird erreicht, dass günstige Rahmenbedingungen für den Betrieb der Anlage zur Erzeugung von thermischer Energie bei hoher Leistung festgelegt werden. Gemäss den Merkmalen des Anspruchs 4 kann vorteilhaft die Anlage zur Erzeugung von ther- mischer Energie mit beliebiger Leistung betrieben werden. Durch die Merkmale des Anspruchs 5 wird erreicht, dass die Anlage zur Erzeugung von ther- mischer Energie möglichst nicht in den taktenden Betrieb übergehen muss. Durch die Merkmale des Anspruchs 6 und 7 wird erreicht, dass Anlage zur Erzeugung von thermischer Energie abschaltet, sobald der Schichtenspeicher keine Wärme mehr aufnehmen kann. Gemäss den Merkmalen des Anspruchs 8 kann vorteilhaft eine Legionellenbildung im Speicher <Desc/Clms Page number 2> verhindert werden. Durch die Merkmale des Anspruchs 9 wird erreicht, dass die beiden Wärmequellen besonders vorteilhaft ihre Wärme zum Beheizen des Schichtenspeichers abgeben könne. Besonders vorteil- haft ist es, wenn zunächst die Wärmequelle mit dem geringeren Temperaturniveau - zumeist das Brennstoffzellenheizgerät - seine Wärme abgibt. Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 eine Heizungsanlage mit Brennstoffzellenheizgerät und Warmwasserschichtenspeichem zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, Fig. 2 eine Heizungsanlage mit Brennstoffzellenheizgerät, Zusatzheizgerät und Warmwasser- schichtenspeichern zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, Fig. 3 eine weitere Heizungsanlage mit Brennstoffzellenheizgerät, Zusatzheizgerät und Warm- wasserschichtenspeichern zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens. Figur 1 zeigt ein Brennstoffzellenheizgerät 15, das über eine Umwälzpumpe 16 mit einem Wär- meaustauscher 6 verbunden ist. Auf der anderen Seite des Wärmeaustauschers 6 befindet sich ein Schichtenspeicher 1, aus dessen unteren Bereich ein Kaltwasserabzug 3 zu einer Umwälzpumpe 7 führt, diese wiederum mit dem Wärmeaustauschers 6 verbunden ist und von diesem eine Spei- cherladeleitung 4 in den oberen Bereich des Schichtenspeichers 1 führt. In der Speicherladeleitung 4 befindet sich ein Temperatursensor 10. In den Schichtenspeicher 1 führt ferner ein Kaltwasserzu- lauf 2 und ein Warmwasserabzug 5. Auf der Vorlaufseite des Brennstoffzellenheizgerätes 15, im unteren und mittleren Bereich des Schichtenspeichers 1 befinden sich Temperatursensoren 11,12 und 13. Alle Temperatursensoren 10,11, 12 und 13, das Brennstoffzellenheizgerät 15 sowie die Pumpen 7 und 16 sind über Signalleitungen 31 bis 37 mit einer Steuerung 8 verbunden. Die Steuerung 8 verfügt über Sollwertgeber 21 bis 26, eine Schaltuhr 27 sowie Vergleicher 28 und 29. Wird der Schichtenspeicher 1 aus dem kalten Zustand geladen, so wird das Brennstoffzellen- heizgerät 15 zunächst mit voller Leistung betrieben. Die Wärme wird an den Wärmeaustauscher 6 weitergeleitet. Aus dem unteren Bereich des Schichtenspeichers 1 wird kaltes Wasser abgesaugt und über die Umwälzpumpe 7 dem Wärmeaustauscher 6 zugeführt, wo das Wasser erwärmt wird und anschliessend über die Speicherladeleitung 4 in den obersten Bereich des Schichtenspeichers 1 gelangt. Hierdurch steigen die gemessenen Temperaturen an dem Temperatursensor 10. Über- schreitet die Temperatur des Temperatursensors 10 eine vorgegebene Solltemperatur, so realisiert die Steuerung 8 dies und reduziert die Leistung des Brennstoffzellenheizgerätes 15. Nun kann das Brennstoffzellenheizgerät 15 derart betrieben werden, dass beispielsweise die Brennstoffzelle stromgeführt betrieben wird. Dies bedeutet, dass die Brennstoffzelle soviel Strom produziert, wie ein Verbraucher von ihr fordert. Hierbei produziert die Brennstoffzelle gleichzeitig eine proportiona- le Wärmemenge, die zum Laden des Schichtenspeichers 1 genutzt wird. Überschreitet die Tempe- ratur am Temperatursensor 12 einen vorgegebenen Sollwert, so ist vorrangiges Ziel der Regelung 8 die Laufzeit des Brennstoffzellenheizgerätes 15 zu maximieren. Daher regelt die Regelung 8 die Leistung des Brennstoffzellenheizgerätes 15 auf minimale Leistung. Aufgrund der Temperaturmes- sung am Temperatursensor 12 erkennt die Steuerung 8, wann der Schichtenspeicher 1 keine Wärme mehr aufnehmen kann und schaltet das Brennstoffzellenheizgerät 15 ab. Fig. 2 zeigt zusätzlich ein Zusatzheizgerät 14 mit Umwälzpumpe 16, Gasventil 17, Brenner 19, Wärmeaustauscher 18, das parallel zu dem Brennstoffzellenheizgerät 15 geschaltet ist. Zusatz- heizgerät 14 und Brennstoffzellenheizgerät 15 münden gemeinsam in ein Umschaltventil 9. Auch die Umwälzpumpe 16, das Gasventil 17 und das Umschaltventil 9 sind über Signalleitungen 39, 38, 40 mit der Steuerung 8, die zusätzlich einen Umschalter 30 und einen weiteren Sollwertgeber 20 enthält, verbunden. Wird der Schichtenspeicher 1 aus dem kalten Zustand geladen, so werden das Brennstoffzel- lenheizgerät 15 und das Zusatzheizgerät 14 mit voller Leistung betrieben. Überschreitet die Tem- peratur am Temperatursensor 12 eine vorgegebene Solltemperatur z. B. 45 C, so realisiert die Steuerung 8 dies und schaltet das Zusatzheizgerät 14 ab. Nun kann das Brennstoffzellenheizgerät 15 derart betrieben werden, dass beispielsweise die Brennstoffzelle stromgeführt betrieben wird. Überschreitet die Temperatur am Temperatursensor 12 einen weiteren vorgegebenen Sollwert z. B. 55 C, so ist vorrangiges Ziel der Steuerung 8 die Laufzeit des Brennstoffzellenheizgerätes 15 zu <Desc/Clms Page number 3> maximieren. Daher steuert die Steuerung 8 die Leistung des Brennstoffzellenheizgerätes 15 auf minimale Leistung. Aufgrund der Temperaturmessung am Temperatursensor 12 erkennt die Steuerung 8, wann der Schichtenspeicher 1 keine Wärme mehr aufnehmen kann und schaltet das Brennstoffzellenheizgerät 15 ab. In Fig. 3 sind das Brennstoffzellenheizgerät 15 und das Zusatzheizgerät 14 über zwei Wärmeaustauscher 6 und 6' in Reihe geschaltet. Es ist auch möglich, dass das Wasser des Schichtenspeichers 1 erst vom Brennstoffzellenheizgerät 15 und dann vom Zusatzheizgerät 14 erhitzt wird. Die Steuerung 8 steuert in fest vorgegebenen Zeitintervallen das Brennstoffzellenheizgerät 15 und das Zusatzheizgerät 14 derartig an, dass die Temperatur im Schichtenspeicher 1 derartig ansteigt, dass Legionellen sich nicht bilden können. Bei der Speicherladung kann über die Variation der Drehzahl der Umwälzpumpe 7 beziehungsweiche Taktung der Pumpe die Temperatur in der Speicherladeleitung 4 verändert werden. Mittels Temperatursensor 11 kann u.a. festgestellt werden, wann eine Speicherladung begonnen werden muss. Statt eines Brennstoffzellenheizgerätes kann auch eine andere Wärmequelle verwendet werden, die sich vorzugsweise dadurch auszeichnen sollte, dass das Temperaturniveau relativ niedrig und/oder die angestrebte Betriebsdauer lang sein sollte. Bezugszeichenliste 1 Schichtenspeicher 2 Kaltwasserzulauf 3 Kaltwasserabzug 4 Speicherladeleitung 5 Warmwasserabzug 6 Wärmeaustauscher 7 Umwälzpumpe 8 Steuerung 9 Umschaltventil 10 Temperatursensor 11 Temperatursensor 12 Temperatursensor 13 Temperatursensor 14 Zusatzheizgerät 15 Brennstoffzellenheizgerät 16 Umwälzpumpe 17 Gasventil 18 Wärmeaustauscher 19 Brenner 20 Sollwertgeber 21 Sollwertgeber 22 Sollwertgeber 23 Sollwertgeber 24 Sollwertgeber 25 Sollwertgeber 26 Sollwertgeber 27 Schaltuhr 28 Vergleicher 29 Vergleicher 30 Umschalter 31 Signalleitung 32 Signalleitung 33 Signalleitung 34 Signalleitung 35 Signalleitung 36 Signalleitung
Claims (9)
- PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zum Betreiben einer Anlage zur Erzeugung von thermischer Energie, mittels Brennstoffzellen, vorzugsweise eines Brennstoffzellenheizgerätes (15), wiederum vor- zugsweise mit Reformer zur Herstellung von wasserstoffreichem Prozessgas aus Kohlen- wasserstoffen, einem Schichtenspeicher (1 ) zum Speichern von thermischer Energie mit mindestens einem Temperatursensor (10) in der Speicherladeleitung (4) des Schichten- speichers (1), und optional einem Zusatzheizgerät (14) dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsregelung der Anlage zur Erzeugung von thermischer Energie, der Brennstoff- zellen und gegebenenfalls des Zusatzheizgerätes (14) in Abhängigkeit von der Temperatur des Temperatursensors (10) in der Speicherladeleitung (4) zum Schichtenspeicher (1) er- folgt.
- 2. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein weiterer Tempera- tursensor (11 ) im mittleren Bereich des Schichtenspeichers (1 ) befindet und die Anlage zur Erzeugung von thermischer Energie, der Brennstoffzellen sowie gegebenenfalls das Zu- satzheizgerätes (14) mit hoher Leistung, vorzugsweise Volllast betrieben werden, wenn die Temperatur am Temperatursensor (11) niedriger als eine vorgegebene Solltemperatur TSoll,1 ist.
- 3. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellen mit hoher Leistung, vorzugsweise Volllast betrieben werden und das ge- gebenenfalls vorhandene Zusatzheizgerät (14) keine Leistung an den Schichtenspeicher (1) abgibt, wenn die Temperatur am Temperatursensor (11) höher als eine vorgegebene EMI4.1
- 4. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellen mit einer Leistung zwischen Volllast und Minimallast, vorzugsweise ge- mäss einer elektrischen Sollleistung betrieben werden und das gegebenenfalls vorhandene Zusatzheizgerät (14) keine Leistung an den Schichtenspeicher (1) abgibt, wenn die Tem- peratur am Temperatursensor (11) höher als eine vorgegebene Solltemperatur TSoll,1 und niedriger als eine vorgegebene Solltemperatur TSoll,2 ist.
- 5. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellen mit einer kleinen Leistung, vorzugsweise Minimallast betrieben werden und das gegebenenfalls vorhandene Zusatzheizgerät (14) keine Leistung an den Schich- tenspeicher (1) abgibt, wenn die Temperatur am Temperatursensor (11) höher als eine vorgegebene Solltemperatur TSoll,2 ist.
- 6. Verfahren gemäss Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellen abge- schaltet werden, wenn die Temperatur an dem Temperatursensor (10) in der Speicherla- deleitung (4) höher als eine vorgegebene Solltemperatur TSoll,3, die höher als die Solltem- peratur TSoll.2 ist, ist.
- 7. Verfahren gemäss Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein weiterer Tempera- tursensor (12) im unteren Bereich des Schichtenspeichers (1) befindet die Brennstoffzellen abgeschaltet werden, wenn die Temperatur an dem Temperatursensor (12) höher als eine EMI4.2
- 8. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in vorge- gebenen Zeiträumen die Anlage zur Erzeugung von thermischer Energie, der Brennstoff- zellen und/oder das Zusatzheizgerät (14) den Schichtenspeicher (1) aufheizen, bis die Temperatur an dem Temperatursensor (10) oder Temperatursensor (12) eine vorgegebe- ne Solltemperatur TSoll.5 erreicht.
- 9. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anla- ge zur Erzeugung von thermischer Energie, der Brennstoffzellen und das Zusatzheizgerät (14) über in Reihe geschaltete Wärmeaustauscher (6, 6') ihre Wärme zum Beheizen des Schichtenspeichers (1) abgeben.HIEZU 3 BLATT ZEICHNUNGEN
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