Verfahren und Vorrichtung zur Integration von Wärme in ein

Fernwärmenetz

Die Erfindung betri f ft eine Vorrichtung nach dem Oberbegri f f des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren gemäß dem Oberbegri f f des Patentanspruchs 5 .

Die Erfindung befasst sich mit der Herstellung von Wasserstof f und dem schlechten Wirkungsgrad der Wasserstof f elektro- lyse und die dadurch entstehende Wärme .

Es ist zu erwarten, dass die CO ₂ -neutrale und zeitgenaue Versorgung von Wärmenetzen wie Fernwärme und industriellen Prozessen zunehmend auf Wärmepumpen basieren wird . Um einen hohen Wirkungsgrad COP ( Coef ficient of Performance ) zu erzielen, benötigen Wärmepumpen eine Abwärmequelle mit konstantem Wärmestrom als Eingangswärmestrom .

Als Eingangswärmestrom kann die Abwärme genutzt werden, die bei der Wasserstof fproduktion anfällt . Typischerweise erfolgt die Erzeugung von Wasserstof f mittels einer Elektrolyse , beispielsweise mittels einer Protonenaustauschelektrolyse oder einer Membranelektrolyse . Die Elektrolyse erfolgt hierbei bei Temperaturen im Bereich von 30 Grad Celsius bis 80 Grad Celsius , wobei etwa 50 Prozent bis 80 Prozent der eingesetzten elektrischen Energie in Wasserstof f umgesetzt werden . Die bei der elektrischen Trennung von Wasserstof f und Sauerstof f aus Wasser freiwerdende Wärme muss weggekühlt werden . Bei der anschließenden Verdichtung des Wasserstof fs auf den notwendigen Betriebsdruck entsteht ebenfalls Abwärme . Somit weist die Erzeugung von Wasserstof f insgesamt einen Wirkungsgrad unterhalb von 50 Prozent . Der Großteil der eingesetzten Energie wird somit in Wärme umgesetzt . Die DE 10 2019 202 439 Al beschreibt bereits ein Energiesystem mit einem Elektrolyseur zur Wasserelektrolyse und eine Wärmepumpe , mit welcher die Abwärme aus dem Elektrolyseur erhöht und einem Wärmenetz zur Verfügung gestellt werden kann .

Allerdings bestehen bei der Verwendung von Abwärme aus der Wasserstof fproduktion mit einer Wärmepumpe mehrere Probleme : Zum einen altert der Elektrolyseur, sodass mit der Zeit der Wirkungsgrad sinkt und damit die erzeugte Abwärme steigt . Für einen Elektrolyseur mit 17 MW elektrischer Leistung würde die Abwärme von 5 MW über die Zeit auf 8 , 5 MW steigen . Folglich ist für einen neuen Elektrolyseur eine kleinere Wärmepumpe ausreichend, wohingegen für einen gealterten Elektrolyseur eine größere Wärmepumpe erforderlich wird . Weiterhin ist der wirtschaftliche Betrieb der Wasserstof fproduktion durch den Strompreis getrieben . Dies erfordert eine flexible Fahrweise des Elektrolyseurs bei gleichzeitig kontinuierlicher Forderung an Wasserstof f , Sauerstof f und Wärme , was eine komplexe Regelung und Fahrweisen der verschiedenen Komponenten (Elektrolyseur, Wärmepumpe , Wärmespeicher, Verdichter für Sauerstof f und Wasserstof f ) erfordert . Des Weiteren besteht das Problem, dass bei der Kopplung von Elektrolyseur und Wärmepumpe zwei Komponenten mit unterschiedlichen Betriebsverhalten und Hochlaufkurven aufeinandertref fen . Ein Elektrolyseur reagiert als chemisch-elektrischer Prozess eher schnell auf Regeleingri f fe , wohingegen eine Wärmepumpe mit einem Verdichter aufgrund ihrer Massenträgheit mit einer rotierenden Masse eher langsam auf Regeleingri f fe reagieren . Wenn die Einzel- Komponenten nicht entsprechend ihren An- und Abfahrkurven eingesetzt werden, kann es zu einem Totalaus fall der Anlage kommen oder die dynamische Fahrweise nicht realisiert werden . Die dynamische Fahrweise muss die Strompreisschwankungen für den Betrieb der Anlagen sowie die Abnahmeschwankungen von Wasserstof f , Sauerstof f und Wärme berücksichtigen .

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde , die Wärmeausnutzung einer Wasserelektrolyse als Wärmequelle für eine Wärmepumpe zu verbessern und die genannten Probleme auszuräumen .

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 5 . In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben .

Die erfindungsgemäße Vorrichtung betri f ft ein Energiesystem, umfassend eine Wasserstof f-Produktionseinheit mit wenigstens einem Elektrolyseur zur Wasserelektrolyse , der thermisch mit einem Kühlwasserkreislauf gekoppelt ist , eine Wärmepumpe , deren Wärmequellenseite thermisch mit dem Kühlwasserkreislauf gekoppelt ist , und deren Wärmesenkenseite über einen Wärmetauscher mit einem Fern- oder Nutzwärmekreislauf gekoppelt ist . Erfindungsgemäß ist in den Fern- oder Nutzwärmekreislauf ein Wärmespeicher geschaltet , dessen Rücklauf nach dem Wärmetauscher, und dessen Vorlauf vor dem Wärmetauscher der Wärmepumpe angeschlossen ist , sodass durch Wärme aus dem Wärmespeicher die Rücklauf temperatur des Fern- oder Nutzwärmekreislaufs anhebbar ist .

Das erfindungsgemäße Verfahren betri f f den Betrieb eines Energiesystems , wobei mittels eines Elektrolyseurs durch Wasserelektrolyse Wasserstof f produziert wird, die bei der Wasserstof fproduktion anfallende Wärme an die Wärmequellen-seite einer Wärmepumpe übertragen wird, durch die Wärmepumpe das Temperaturniveau angehoben und an einen Fern- oder Nutzwärmekreislauf abgeführt wird . Erfindungsgemäß ist in den Fernoder Nutzwärmekreislauf ein Wärmespeicher geschaltet ist , dessen Rücklauf nach dem Wärmetauscher, und dessen Vorlauf vor dem Wärmetauscher der Wärmepumpe angeschlossen ist , sodass durch Wärme aus dem Wärmespeicher die Rücklauf temperatur des Fern- oder Nutzwärmekreislaufs angehoben wird .

Die Erfindung geht zunächst von der Überlegung aus , dass sich die Wasserstof f elektrolyse durch den geringen Energienut- zungsgrad, bzw . durch die hohe Menge an anfallender thermischer Energie einerseits , und die hohen Temperaturen von etwa 40 ° C andererseits vorteilhaft eignet , um diese thermische Energie in Fernwärmenetze bereitzustellen oder für industrielle Prozesse zu nutzen . Der Steigerung des COP der Wärmepumpe für die Abwärme der Elektrolyse von 40 ° C gegenüber der von sonst üblichem Flusswasser mit 10 ° C liegt für den Carnot Wirkungsgrad für ein Wärmenetz mit Vorlauftemperatur von 110 ° C bei 5 , 5 für die Abwärme des Elektrolyseurs und bei 3 , 8 für Abwärme aus Flusswasser . Durch die Wärmepumpe kann die Abwärme der Wasserstof f-Produktionseinheit auf das Temperaturniveau eines Fern- oder Nutzwärmekreislauf angehoben und somit nutzbar gemacht werden .

Die Erfindung erkennt zudem, dass es erforderlich ist , die schwankenden Mengen an erzeugter thermischer Energie an den kontinuierlichen Bedarf der Wärmepumpe anzupassen, sodass die Wärmepumpe in Volllast und damit bei einem optimalen Wirkungsgrad betrieben werden kann . Diese Anpassung wird übera- schenderweise durch einen Wärmespeicher erzielt , dessen Rücklauf nach dem Wärmetauscher, und dessen Vorlauf vor dem Wärmetauscher der Wärmepumpe angeschlossen ist .

Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Wärmespeichers ist es möglich, sowohl sich langsam verändernde Wärmemengen, wie sie durch die Alterung des Elektrolyseurs hervorgerufen werden, als auch sich schnell verändernde Wärmemengen wie sie durch unterschiedliches Betriebsverhalten und Hochlaufkurven von Elektrolyseur und Wärmepumpe hervorgerufen werden, aus zugleichen . Durch den erfindungsgemäßen Wärmetauscher wird einerseits die Wasserstof f-Produktionseinheit direkt gekühlt und die Wärmeproduktion von der Wärmenutzung entkoppelt . Die Wärmepumpe kann dadurch größer dimensioniert werden als durch die Wasserstof f-Produktionseinheit Abwärme anfällt , sodass die Wärmepumpe genügend Reserven hat , wenn die Abwärme altersbedingt ansteigt . Dieser Ausgleich kann durch eine Regelung erfolgen, die bei steigender Abwärme auf der Wärmequellenseite der Wärmepumpe den anteiligen Wärmestrom, der von dem Wärmespeicher in den Fern- oder Nutzwärmekreislauf abgegeben wird, entsprechend reduziert , sodass die Wärmepumpe weiterhin bei Volllast betrieben werden kann .

Durch die Erfindung kann die Abwärmenutzung der des Elektrolyseurs und der anderen Komponenten von 75% auf über 90% Energienutzungsgrad gesteigert werden . Gegenüber einer Anordnung ohne Wärmepumpe kann eine Kühlung des Elektrolyseurs über zusätzliche Kühler oder anderes Equipment eingespart werden .

In den Kühlwasserkreislauf können neben dem Elektrolyseur noch weitere Komponenten der Wasserstof f-Produktionseinheit geschaltet sein, deren Abwärme abgeführt und genutzt werden kann, wie beispielsweise ein Wasserstof fverdichter, ein Sauerstof fverdichter oder andere Wärmequellen der Einheit .

Um die Flexibilität bei der Auslegung der Wärmepumpenkapazität weiter zu erhöhen, ist bei einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung zusätzlich ein Kältespeicher vorgesehen, welcher in den Kühlwasserkreislauf geschaltet ist . Dieser Kältespeicher ist zusätzlich zu einem möglicherweise vorhandenen Back-up- oder Überschuss-Kühler vorgesehen und unterstützt die direkte Kühlung der Wasserstof f-Produktionseinheit . Durch den Kältespeicher wird einerseits die Wasserstof f-Produktionseinheit direkt gekühlt und die Wärmeproduktion von der Wärmepumpe entkoppelt . Die Wärmepumpe kann dadurch kleiner dimensioniert werden als durch die Wasserstof f-Produktionseinheit Abwärme anfällt , oder ein altersbedingter Anstieg an Abwärme ausgeglichen werden .

Der Kältespeicher kann dabei Bestandteil der Regelung sein, in welcher Wärmespeicher und Kältespeicher beides Regelgrößen sind . Durch eine entsprechende Regelung kann somit bei einer reduzierten Abwärmemenge auf der Wärmequellenseite der Wärmepumpe der anteiligen Wärmestrom, der aus dem Kältespeicher and die Wärmequellenseite der Wärmepumpe abgegeben wird, er- höht werden, sodass die Wärmepumpe weiterhin bei Volllast betrieben werden kann .

Je nach Größe des Kältespeichers kann die Abwärme auch nur durch Beladen des Kältespeichers erfolgen . Dies kann beispielsweise bei Inbetriebsetzung des Energiesystems oder Ausfall der Wärmepumpe vorteilhaft sein . Dazu ist bei einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung der Vorlauf des Kältespeichers mit der Wärmequellenseite der Wärmepumpe verbunden, sodass durch die Wärmepumpe der Kältespeicher entladbar ist . Diese Fahrweise ist beispielsweise bei Aus fall der Wasserstof f-Produktionseinheit vorteilhaft , wenn keine Abwärme mehr anfällt . Durch diese Weiterentwicklung kann ein geschlossener Kreislauf zwischen Kühlwasserspeicher und Wärmepumpe gebildet werden, was die Flexibilität im Betrieb der Anlage erhöht .

Die Erfindung eignet sich vorzugsweise für Hochtemperatur- Wärmepumpen . Hochtemperatur-Wärmepumpen kennzeichnen sich dadurch, dass sie Vorlauftemperaturen von über 100 bis hin zu 150 Grad Celsius erreichen .

Im Folgenden wird die Erfindung und die vorteilhaften Weiterentwicklungen anhand von Figuren näher beschrieben . Darin zeigt :

FIG 1 Das erfindungsgemäße Energiesystem mit einem Wärmespeicher ;

FIG 2 eine Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Energiesystems mit einem Kältespeicher ;

FIG 3 eine Weiterentwicklung mit einer besonderen Verschaltung des Energiesystems zur Entladung des Kältespeichers .

FIG 1 zeigt das erfindungsgemäße Energiesystem 1 mit einem Wärmespeicher 9 mit einem Vorlauf 12 und einem Rücklauf 11 . Dargestellt ist zudem eine Wasserstof f-Produktionseinheit 2 mit wenigstens einem Elektrolyseur 3 zur Wasserelektrolyse , ein Kühlwasserkreislauf 4 , eine Wärmepumpe 5 mit einer Wärmequellenseite 6 und einer Wärmesenkenseite 7 , einen Wärmetauscher 8 und ein Fern- oder Nutzwärmekreislauf 10 , der Bestandteil eines Fernwärmenetzes ist .

Durch den Elektrolyseur 2 wird durch Wasserelektrolyse Wasserstof f produziert . Bei einem Elektrolyseur mit 70 MW Leistung kann dies 15 MW Abwärme entsprechen . Diese Wärme wird über einen Kühlwasserkreislauf 4 an die Wärmequellenseite 7 der Wärmepumpe 5 übertragen . Die Wärmepumpe 5 kühlt die Wasserstof f-Produktionseinheit 2 somit direkt . Durch die Wärmepumpe 5 wird das Temperaturniveau der Wärme angehoben und über einen Wärmetauscher 8 an den Fern- oder Nutzwärmekreislauf 10 abgeführt . Die Erfindung kennzeichnet , dass in den Fern- oder Nutzwärmekreislauf 10 der Wärmespeicher 9 geschaltet ist , dessen Rücklauf 11 nach dem Wärmetauscher 8 , und dessen Vorlauf 12 vor dem Wärmetauscher 8 der Wärmepumpe 5 angeschlossen ist . Dadurch kann durch Wärme aus dem Wärmespeicher 9 die Rücklauf temperatur des Fern- oder Nutzwärmekreislaufs 10 angehoben werden .

Bei dieser Konfiguration ist bei Inbetriebsetzung des Elektrolyseurs 3 die Wärmepumpenkapazität größer als die anfallende Abwärme . Die Wärmepumpe 5 ist somit überdimensioniert . Die Wärmepumpe kann dennoch in Volllast und damit bei einem optimalen Wirkungsgrad betrieben werden, da durch den Wärmespeicher 9 die Temperaturdi f ferenz ausgeglichen wird . Die über die Zeit erforderliche Anpassung an die Alterung des Elektrolyseurs 3 wird über eine Regelung entsprechend ausgeglichen . Bei der Regelung wird bei steigender Abwärmemenge auf der Wärmequellenseite 6 der Wärmepumpe 5 der anteilige Wärmestrom, der von dem Wärmespeicher 9 in das Fern- oder Nutzwärmekreislauf abgegeben wird, entsprechend reduziert .

FIG 2 zeigt eine Weiterentwicklung der Erfindung mit einem zusätzlichen Kältespeicher 14 , welcher in den Kühlwasser- kreislauf geschaltet ist . In FIG 2 ist zudem dargestellt , dass die Wasserstof f-Produktionseinheit 2 neben dem Elektrolyseur 3 noch weitere Komponenten umfassen kann, wie beispielsweise eine Wasserstof f-Verdichtereinheit 15 , eine Sauerstof f-Verdichtereinheit 16 , sowie andere Abwärmequellen . Der Kältespeicher 14 ist in den Kühlwasserkreislauf 4 geschaltet . Durch den Kältespeicher 14 kann die Flexibilität bei der Auslegung der Wärmepumpenkapazität weiter erhöht werden . Durch den Kältespeicher 14 wird einerseits die Wasserstof f-Produktionseinheit 2 direkt gekühlt und die Wärmeproduktion von der Wärmepumpe 5 entkoppelt .

Bei dieser Konfiguration ist bei Inbetriebsetzung des Elektrolyseurs 3 die Wärmepumpenkapazität kleiner oder gleich als die der anfallenden Abwärme . Die Wärmepumpe 5 ist somit schon zu Beginn oder nach der Alterung des Elektrolyseurs 3 unterdimensioniert . Die Wärmepumpe 5 kann dadurch kleiner dimensioniert werden . Die Wärmepumpe kann dennoch in Volllast und damit bei einem optimalen Wirkungsgrad betrieben werden, da durch den Kältespeicher 14 die Temperaturdi f ferenz ausgeglichen wird . Die über die Zeit erforderliche Anpassung an die Alterung des Elektrolyseurs 3 wird entsprechend geregelt .

FIG 3 zeigt eine Weiterentwicklung mit einer besonderen Verschaltung des Energiesystems 1 zur Entladung des Kältespeichers 14 . Der Vorlauf 12 des Kältespeichers 14 ist über eine Abzweigleitung 18 mit der Wärmequellenseite 6 der Wärmepumpe 5 verbunden . Dadurch kann durch die Wärmepumpe der Kältespeicher entladen werden . Durch diese Weiterentwicklung kann ein geschlossener Kreislauf zwischen Kältespeicher 14 und Wärmepumpe 5 gebildet werden . Dies kann beispielsweise bei Inbetriebsetzung des Energiesystems 1 oder Aus fall der Wasserstof f-Produktionseinheit 2 vorteilhaft sein .