Titel

Energieversorgungseinrichtung

Die Erfindung betrifft eine Energieversorgungseinrichtung.

Stand der Technik

Grid-Codes oder Netzanschlussrichtlinien sind Regelwerke in jedem modernen Stromsystem. Sie legen technische Regeln fest, die jeder Teilnehmer des modernen Stromsystems befolgen müssen, um Zugang zu dem Stromsystem zu erhalten. Grid-Codes umfassen insbesondere auch Richtlinien zur Planung, Systemführung und Kommunikation. Grid-Codes sind in einem modernen Stromsystem notwendig, da diese meist eine Vielzahl von dezentralen Energieversorgungseinrichtung aufweisen, die jeweils Energie bereitstellen und/oder verbrauchen können. Der Grid-Code dient auch als zentrale Richtlinie für alle Teilnehmer eines modernen Stromsystems. Eine Grid-Code konforme Energieversorgungseinrichtung muss auch die Möglichkeit haben, innerhalb weniger Sekunden seine Leistung zu reduzieren oder zu erhöhen. Dies stellt sich bisher bei der Verwendung von Brennstoffzelleneinheiten als Energieerzeuger als sehr teuer dar.

Teilsysteme der ersten Art erlauben eine Regelbarkeit der normalerweise sehr trägen Brennstoffzelleneinheiten 12.

Brennstoffzelleneinheiten 12 benötigen nach dem Abschalten eine definierte Zeit, insbesondere 3 bis 10 Stunden, typischerweise 5 bis 7 Stunden bis sie wieder einsetzbar sind. Ferner müssen nach dem Abschalten die Brennstoffzelle gespült werden. Auch muss das Aufwärmen definiert erfolgen. Das macht eine Brennstoffzelleneinheit 12 sehr träge.

Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Energieversorgungseinrichtung mit mehreren Brennstoffzelleneinheiten sowie Prozessoreinheiten. Die Prozessoreinheiten sind zum Betreiben der Brennstoffzelleneinheiten notwendig. Die Brennstoffzelleneinheiten sind auf mindestens zwei Teilsystem aufgeteilt. Vorteilhaft ist zumindest eine Steuereinheit zum Steuern der Brennstoffzelleneinheiten und zum Steuern mindestens einer, insbesondere aller, der Prozessoreinheiten mittels Steuerbefehle ausgebildet. Vorteilhaft ist, dass zumindest ein Teilsystem ausgebildet und eingerichtet ist, die bereitgestellte elektrische Leistung in einem Leistungsbereich in Abhängigkeit von einem Steuerbefehl, insbesondere schnell, zu ändern. Es ergibt sich die Möglichkeit ein Grid-Code konformes regelbare Energieversorgungseinrichtung bereitzustellen- Ferner ist vorteilhaft, dass das zumindest ein weiteres Teilsystem ausgebildet und eingerichtet ist, in Abhängigkeit von einem Steuerbefehl lediglich ein An- und Ausschalten zu erlauben. Ein solches System ist sehr einfach regelbar und kostengünstig.

Unter schnell Ändern ist hierbei ein Ändern schneller, als ein Ändern der Brennstoffzelleneinheiten beispielsweise mittels Regulierens zu verstehen. Ferner sind der Reaktionszeitraum und der Änderungszeitraum derart ausgebildet, dass dieser Vorgaben des Grid-Codes erfüllt.

Vorteilhaft ist, dass eine erfindungsgemäße Energieversorgungseinrichtung mehrere Teilsysteme aufweist. Die Kombination ermöglicht ein regelbares System bereitzustellen, bei dem dennoch nicht alle Teilsysteme regelbar entsprechend einem Teilsystem der ersten Art sind. Es ergeben sich hierdurch Kostenvorteile. Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Energieversorgungseinrichtung.

Eine vorteilhafte Weiterbildung ist, dass jedes Teilsystem eine Steuereinheit aufweist, welches die Brennstoffzelleneinheiten des Teilsystems und insbesondere die zum Betrieb der Brennstoffzelleneinheiten notwendigen Prozessoreinheiten steuert. Die Steuereinheiten kommunizieren miteinander. Vorteilhaft ist, dass die einzelnen Teilsysteme insbesondere als separate Systeme betrachtet werden können.

Als vorteilhafte Weiterbildung hat sich gezeigt, dass eine Steuereinheit ausgebildet und eingerichtet ist, das öffentliche Stromnetz zu überwachen und bei einem erfassten Grid-Code relevanten Fall, insbesondere einem erfassten Stör- oder Fehlerfall, die in das öffentliche Stromnetz durch die Energieversorgungseinrichtung eingespeiste Leistung zu ändern. Somit kann die Energieversorgungseinrichtung Grid-Code konform regelbar eingesetzt werden.

Eine vorteilhafte Weiterbildung ist, dass die Teilsysteme, welche in einem Leistungsbereich, insbesondere schnell, änderbar sind, eine Reaktionszeitraum kleiner 1s, insbesondere kleiner 500ms, vorzugsweise kleiner 300ms aufweisen. Vorteilhafte erfüllt das Teilsystem und durch dieses Teilsystem auch die Energieversorgungseinrichtung die Vorgaben durch den Grid-Code bezüglich Regelbarkeit.

Als vorteilhafte Weiterbildung hat sich gezeigt, dass die Teilsysteme, welche in einem Leistungsbereich, insbesondere schnell, änderbar sind, das Ändern in Abhängigkeit von dem Steuerbefehl innerhalb von weniger als 1 m, vorzugsweise weniger als 5s, beispielsweise weniger als 3s abschließen. Vorteilhafte erfüllt das Teilsystem und durch dieses Teilsystem auch die Energieversorgungseinrichtung die Vorgaben durch den Grid-Code bezüglich Regelbarkeit. Eine vorteilhafte Weiterbildung ist, dass die Teilsysteme, welche in einem Leistungsbereich, insbesondere schnell, änderbar sind, zumindest einen elektrischen Energiespeicher, insbesondere eine Batterie oder einen Kondensator aufweisen. Vorteilhafte erfüllt das Teilsystem und durch dieses Teilsystem auch die Energieversorgungseinrichtung die Vorgaben durch den Grid-Code bezüglich Regelbarkeit

Als vorteilhafte Weiterbildung hat sich gezeigt, dass die Teilsysteme, welche in einem Leistungsbereich, insbesondere schnell, änderbar sind, zumindest einen Verbraucher, insbesondere einen Chopper Widerstand aufweisen. Vorteilhafte erfüllt das Teilsystem und durch dieses Teilsystem auch die Energieversorgungseinrichtung die Vorgaben durch den Grid-Code bezüglich Regelbarkeit.

Eine vorteilhafte Weiterbildung ist, dass zumindest ein weiteres Teilsystem vorgesehen ist, welches in Abhängigkeit von einem Steuerbefehl eine Leistungsabgabe aktiviert oder deaktiviert, und wobei das Teilsystem einen Hot- Standby-Modus aufweist, wobei in einem aktivierten Hot-Standby-Modus keine Bereitstellung von elektrischer Leistung erfolgt.

Eine vorteilhafte Weiterbildung ist, dass bei aktiviertem Hot-Standby-Modus eine Ansteuerung der Prozessoreinheiten zur Versorgung der Brennstoffzelleneinheiten des Teilsystems derart erfolgt, dass jederzeit ein Anschalten erfolgen kann. Im Hot-Standby-Modus werden die Brennstoffzelleneinheiten und die Prozessoreinheiten derart betrieben, dass diese schnell wieder elektrische Leistung bereitstellen können.

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Figur 1 ein schematisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzellenvorrichtung; Figur 2 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Energieversorgungseinrichtung; und

Figur 3 ein Diagramm mit beispielhaften Energieversorgungseinrichtungen.

Im Folgenden beziehen sich Beschreibungen von den Elementen mit einem Bezugszeichen ohne einen Apostroph auch immer auf die Elemente mit einem oder mehreren Apostrophen.

Die Erfindung betrifft eine Energieversorgungseinrichtung 1 . Die Energieversorgungseinrichtung 1 umfasst zumindest eine Brennstoffzellenvorrichtung 10 sowie eine Mehrzahl an Brennstoffzelleneinheiten 12. In Figur 1 ist beispielhaft der Aufbau einer Brennstoffzellenvorrichtung 10 dargestellt. In Figur 2 ist beispielhaft der Aufbau einer Energieversorgungseinrichtung 1 mit sechs Brennstoffzelleneinheiten 12 dargestellt. In Figur 3 ist beispielhaft der Aufbau einer Energieversorgungseinrichtung 1 mit sechs Gruppen von Brennstoffzelleneinheiten 12 dargestellt. Die Figuren 2 und 3 sind dahingehend vereinfacht, dass nur die elektrischen Pfade schematisch dargestellt sind. Es ist selbstverständlich, dass die in den Figuren 2 und 3 gezeigten Energieversorgungseinrichtung 1 neben den Brennstoffzelleneinheiten 12 auch zusätzliche Prozessoreinheiten 14 aufweisen. Die Prozessoreinheiten 14 werden im Folgenden in Figur 1 näher beschrieben. Wie im Folgenden beschrieben können die Brennstoffzelleneinheiten 12 und die Prozessoreinheiten 14 beliebig zu Brennstoffzellenvorrichtung 10 zusammengefasst sein. Auch kann eine Brennstoffzellenvorrichtung 10 eine Gruppe von Brennstoffzelleneinheiten bilden.

In Fig. 1 ist ein schematisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer

Brennstoffzellenvorrichtung 10 gezeigt. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 umfasst beispielhaft zwei Brennstoffzelleneinheiten 12. Vorzugsweise können mehr als die zwei in Figur 1 gezeigten Brennstoffzelleneinheiten 12 ausgebildet sein.

Die Brennstoffzelleneinheiten 12 sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Brennstoffzellenstack ausgeführt, welche eine Vielzahl von Brennstoffzellen, im vorliegenden Fall Festoxidbrennstoffzellen (englisch: solid oxide fuel cell, SOFC), aufweisen.

Des Weiteren umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung 10 eine Vielzahl von Prozessoreinheiten 14. Die Anzahl und Skalierung der Prozessoreinheiten 14 hängt von der Anzahl der Brennstoffzelleneinheiten 12 ab sowie von dem Aufbau und der Struktur der gesamten Energieversorgungseinrichtung 1.

Unter einer „Prozessoreinheit“ 14 soll im Rahmen dieser Erfindung insbesondere eine Einheit oder Komponente der Brennstoffzellenvorrichtung 10, bzw. der Energieversorgungseinrichtung 1 verstanden werden, bei der es sich nicht um eine Brennstoffzelleneinheit 12 handelt. In dem vorliegenden Fall handelt es sich bei den Prozessoreinheiten 14 um Einheiten zur chemischen und/oder thermischen Vor- und/oder Nachbereitung zumindest eines in einer Brennstoffzelleneinheit 12 umzusetzenden und/oder umgesetzten Mediums, wie beispielsweise eines Oxidationsmedium, insbesondere Luft und/oder Sauerstoff, und/oder eines Abgases und/oder eines Brennstoffs, vorzugsweise eines Brenngases, insbesondere Erdgas oder Wasserstoff.

Bei einer der Prozessoreinheiten 14 handelt es sich um einen in einer Luftzuführung 16 angeordneten Wärmeübertrager 18 zur Erwärmung einer den Brennstoffzelleneinheiten 12 zugeführten Oxidationsmedium, insbesondere sauerstoffhaltigen Luft L. Im vorliegenden Fall wird das Oxidationsmedium, insbesondere die Luft L, beispielsweise in einem Normalbetrieb, jeweils einem Kathodenraum 20 der Brennstoffzelleneinheiten 12 zugeführt, während jeweils einem Anodenraum 22 reformierter Brennstoff RB, im vorliegenden Wasserstoff oder Erdgas, zugeführt wird. In den Brennstoffzelleneinheiten 12 wird der reformierte Brennstoff RB durch Mitwirkung von Sauerstoff aus der Luft L unter Erzeugung von Strom und Wärme elektrochemisch umgesetzt. Es wird elektrische Energie erzeugt.

Der reformierte Brennstoff RB wird erzeugt, indem der Brennstoffzellenvorrichtung 10 über eine Brennstoffzuführung 24 Brennstoff B, insbesondere Erdgas oder Wasserstoff oder Methan oder Kohlegas, zugeführt wird, welcher in einer weiteren Prozessoreinheit 14, im vorliegenden Fall einem Reformer 26, reformiert wird.

Des Weiteren sind die Brennstoffzelleneinheiten 12 abgasseitig mit einer weiteren Prozessoreinheit 14, im vorliegenden Fall mit einem Nachbrenner 28, verbunden. Dem Nachbrenner 28 wird Abgas der Brennstoffzelleneinheiten 12 zugeführt, im vorliegenden Fall Kathodenabgas KA über eine Kathodenabgasführung 30 und ein Teil des Anodenabgas AA über eine Anodenabgasführung 32. Das Kathodenabgas KA enthält unverbrauchtes Oxidationsmedium, insbesondere Luft L, bzw. unverbrauchten Sauerstoff, während das Anodenabgas AA ggf. nicht-umgesetzten, reformierten Brennstoff RB und/oder ggf. nicht-reformierten Brennstoff B enthält. Mittels des Nachbrenners 28 wird das Anodenabgas AA, bzw. der ggf. darin enthaltene nicht-umgesetzte, reformierte Brennstoff RB und/oder der ggf. darin enthaltende nicht-reformierte Brennstoff B, unter Beimischung des Kathodenabgases KA, bzw. des darin enthaltenen Sauerstoffs des Oxidationsmedium, insbesondere der Luft L, verbrannt, wodurch zusätzliche Wärme erzeugt werden kann.

Das bei der Verbrennung im Nachbrenner 28 entstehende heiße Abgas A wird über eine Abgasführung 34 über eine weitere Prozessoreinheit 14, im vorliegenden Fall über einen Wärmeübertrager 36, vom Nachbrenner 28 abgeführt. Der Wärmeübertrager 36 ist dabei wiederum mit dem Reformer 26 strömungstechnisch verbunden, so dass Wärme von dem heißen Abgas A, auf den dem Reformer 26 zugeführten Brennstoff B übertragen wird. Entsprechend kann die Wärme des heißen Abgases A für die Reformierung des zugeführten Brennstoffs B im Reformer 26 genutzt werden. Stromabwärts des Wärmeübertragers 36 befindet sich eine weitere Prozessoreinheit 14, im vorliegenden Fall der Wärmeübertrager 18, in der Abgasführung 34, so dass die verbleibende Wärme des heißen Abgases A auf das zugeführte Oxidationsmedium, insbesondere Luft L in der Luftzuführung 16 übertragen werden kann. Entsprechend kann die verbleibende Wärme des heißen Abgases für ein Vorwärmen des zugeführten Oxidationsmedium, insbesondere der Luft L in der Luftführung 16 genutzt werden.

Darüber hinaus weist die Brennstoffzellenvorrichtung 10 eine Rückführung 38 auf, mittels welcher ein Teil des Anodenabgas AA aus der Anodenabgasleitung 32 abgezweigt und einem Anodenrezirkulationskreis 40 zugeführt werden kann. Dabei passiert das abgezweigte Anodenabgas AA eine weitere Prozessoreinheit 14, im vorliegenden Fall einen weiteren Wärmeübertrager 39.

Mittels des Anodenrezirkulationskreises 40 kann der abgezweigte Teil des Anodenabgas AA dem jeweiligen Anodenraum 22 der Brennstoffzelleneinheiten 12 und/oder dem Reformer 26 rückgeführt, bzw. erneut zugeführt, werden, so dass der ggf. im abgezweigten Anodenabgas AA enthaltene, nicht-umgesetzte, reformierte Brennstoff RB im Nachgang in der Brennstoffzelleneinheit 12 umgesetzt und/oder der ggf. im abgezweigten Anodenabgas AA enthaltene, nicht-reformierte Brennstoff B im Nachgang im Reformer 26 reformiert werden kann. Dadurch kann der Wirkungsgrad der Brennstoffzellenvorrichtung 10 weiter erhöht werden. Zudem kann über die Brennstoffzuführleitung 24 frischer Brennstoff B dem im Anodenrezirkulationskreis 40 rezirkuliertem, abgezweigten Anodenabgas AA beigemischt werden. Mittels des Weiteren Wärmeübertragers 39 kann dann zur thermischen Aufbereitung Wärme von dem abgezweigten Anodenabgas AA aus der Rückführleitung 38 auf das durch die Beimischung des frischen Brennstoffs B entstehende Brennstoffgemisch im Anodenrezirkulationskreis 40 übertragen werden.

Über Verdichter 42 in den jeweiligen Leitungen, kann die Zufuhr eines Oxidationsmediums, insbesondere von Oxidationsmedien, vorzugsweise Luft L in der Luftzuführung 16, die Zufuhr von Brennstoff B in der Brennstoffzuführung 24 und die Rezirkulationsrate des Anodenabgases AA im Anodenrezirkulationskreis 40 geregelt und/oder aufeinander abgestimmt werden.

Vorzugsweise weist die Brennstoffzellenvorrichtung ein Heizelement 44 zur, im vorliegenden Fall zusätzlichen, Erwärmung der den Brennstoffzelleneinheiten 12 zugeführten Oxidationsmedium, insbesondere Luft L in einer Bypassleitung 46, wodurch die Betriebseffizienz der Brennstoffzellevorrichtung 10 gesteigert wird.

Die Erfindung ist nicht auf Festoxidbrennstoffzellen beschränkt. Vielmehr können beliebige Brennstoffzellen ausgeführt sein. Beispielsweise können die Brennstoffzellen auch als alkalische Brennstoffzelle (AFC), Niedertemperatur- Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (NT-PEMFC), Hochtemperatur- Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (HT-PEMFC), Direktmethanol- Brennstoffzelle (DMFC), Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC), Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC) ausgeführt sein. Entsprechend unterscheiden sich die verwendeten Brennstoffe oder das Oxidationsmedium. Beispiel für Brennstoffe sind Wasserstoff, Alkohole (Ethanol, Propanol, Glycerin, Methanol), Methan, Kohlegas, Ammoniak Reformatgas, insbesondere Methanol. Beispiels für Oxidationsmedien sind Luft, insbesondere der Luftsauerstoff der Luft, Sauerstoff, Wasserstoffperoxid, Salpertersäure oder Halogene.

Abhängig von der verwendeten Brennstoffzelle der Brennstoffzelleneinheit 12 sind die Prozesseinheiten 14 angepasst.

In Figur 2 ist eine Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Energieversorgungseinrichtung 1 dargestellt. Die Energieversorgungseinrichtung 1 weist beispielhaft drei Teilsysteme 50, 60, 70 mit jeweils zwei Brennstoffzelleneinheiten 12 auf. Die Anzahl der Brennstoffzelleneinheiten 12 ist hierbei nicht auf zwei je Teilsystem beschränkt. Vorzugsweise können mehrere Teilsysteme ausgebildet sein. Vorzugsweise kann ein Teilsystem als Brennstoffzellenvorrichtung 10 mit zwei oder mehr Brennstoffzelleneinheiten 12 ausgebildet sein. Die Brennstoffzelleneinheiten 12 eines Teilsystems 50, 60, 70 sind seriell und/oder parallel elektrisch miteinander verschaltet. Erfindungsgemäß kann die Anzahl der Teilsysteme 50, 60, 70 beliebig gewählt werden. Auch kann die Anzahl an Brennstoffzelleneinheiten 12 je Teilsystem beliebig gewählt werden.

Gemäß einer ersten Ausführungsform bilden die Brennstoffzelleneinheiten 12 eines Teilsystems 50, 60, 70 eine Brennstoffzellenvorrichtung 10.

Eine Brennstoffzellenvorrichtung 10 kann auch entgegen dem Beispiel in Figur 1 mehr oder weniger als die in Figur 1 angegebenen zwei Brennstoffzelleneinheiten 12 aufweisen. Entsprechend sind die Prozessoreinheiten 14, die die Brennstoffzelleneinheiten 12 eines Teilsystems benötigen, in Anzahl, Leistung und Abmessung angepasst. Vorzugsweise benötigt jede Brennstoffzelleneinheit 12 eine Vielzahl von sich unterscheidenden Prozessoreinheiten 14 entsprechend Figur 1.

Einzelne der Prozessoreinheiten 14 können derart ausgebildet und eingerichtet sein, dass sie sich mehrere Brennstoffzelleneinheiten 12 eines Teilsystems teilen. Beispielsweise sind in Figur 1 zwei Brennstoffzelleneinheiten 12 sowie eine Vielzahl an Prozessoreinheiten 14, die zu deren Betrieb notwendig sind, dargestellt.

Gemäß einer Weiterbildung können einzelne Prozessoreinheiten 14, gleichzeitig mehrere Brennstoffzelleneinheiten 12 versorgen. Eine einzelne Prozessoreinheiten 14 kann hierbei auch Brennstoffzelleneinheiten 12 von mehr als einem Teilsystem 50, 60, 70 versorgen. Insbesondere kann ein Verdichter 42 für zwei oder mehr Brennstoffzelleneinheiten 12 vorgesehen sein. Auch kann die Luftzuführung 16 für viele, insbesondere alle, Brennstoffzelleneinheiten 12 verwendet werden.

Vorzugsweise sind zumindest die Prozessoreinheiten 14, die zur Zufuhr von Luft und/oder den Brennstoff für eine Brennstoffzelle vorgesehen sind, für jedes Teilsystem 50, 60, 70 separat ausgebildet. Jedes Teilsystem 50, 60, 70 weist einen Leistungsanschluss 90 auf. Dieser ermöglicht es die erzeugte elektrische Leistung bereitzustellen. Der Leistungsanschluss 90 ist über eine elektrische Verbindung mit einem Verbraucher 92 verbunden.

Alternativ oder zusätzlich ist die Energieversorgungseinrichtung 1 mit dem öffentlichen Stromnetz 94 verbunden.

Ferner ist eine Steuereinheit 80 ausgebildet. Die Steuereinheit 80 kann Teil eines Teilsystems 50, 60, 70 sein. Alternativ oder zusätzlich kann eine zentrale Steuereinheit 82 ausgebildet sein. Insbesondere bei der Ausbildung mehrere Steuereinheiten 80, 82 kommunizieren diese miteinander. Beispielhaft sind die Kommunikationsverbindungen in Figur 2 gestrichelt dargestellt. Die Steuereinheiten 80, 82 erzeugen Steuerbefehle. Die Teilsysteme'50, 60, 70, werden in Abhängigkeit der Steuerbefehle angesteuert.

Beispielsweise kann eine der Steuereinheiten 80, insbesondere die zentrale Steuereinheit 82, ausgebildet und eingerichtet sein, das öffentliche Stromnetz 94 zu überwachen. Stellt die Steuereinheit ein Grid-Code relevanten Fall, insbesondere einen Fehler- oder Störfall, fest, so werden die Teilsysteme 50, 60, 70 in Abhängigkeit von dem erfassten Fall mittels eines oder mehrere Steuerbefehle angesteuert. Insbesondere gibt es Fälle, bei denen die dem öffentlichen Stromnetz 94 oder dem Verbraucher 92 bereitgestellte Leistung schnell reduziert oder erhöht werden muss.

Grid-Codes oder Netzanschlussrichtlinien sind Regelwerke in jedem modernen Stromsystem. Sie legen technische Regeln fest, die jeder Teilnehmer des modernen Stromsystems befolgen müssen, um Zugang zu dem Stromsystem zu erhalten. Grid-Codes umfassen insbesondere auch Richtlinien zur Planung, Systemführung und Kommunikation. Grid-Codes sind in einem modernen Stromsystem notwendig, da diese meist eine Vielzahl von dezentralen Energieversorgungseinrichtung aufweisen, die jeweils Energie bereitstellen und/oder verbrauchen können. Der Grid-Code dient auch als zentrale Richtlinie für alle Teilnehmer eines modernen Stromsystems. Eine Grid-Code konforme Energieversorgungseinrichtung 1 muss die Möglichkeit haben, innerhalb weniger Sekunden seine Leistung zu reduzieren oder zu erhöhen.

Die Teilsysteme 50, 60, 70 sind in mindestens drei Arten von Teilsysteme unterteilt.

Die erste Art von Teilsystemen ist ausgebildet und eingerichtet, die von ihm bereitgestellte elektrische Leistung in einem Leistungsbereich in Abhängigkeit von einem Steuerbefehl zu ändern. Der Leistungsbereich liegt typischerweise zwischen 5 kW und 100 kW, bevorzugt zwischen 8 kW und 50 kW, besonders bevorzugt zwischen 10 kW und 30 kW insbesondere zwischen 15 kW und 22 kW. In Figur 2 ist das Teilsystem 50 beispielhaft als ein Teilsystem der ersten Art ausgebildet.

Teilsysteme der ersten Art erlauben ein schnelles Anpassen der erzeugten, bzw. der bereitgestellten elektrischen Leistung. Sie können auch als regelbare Teilsystem bezeichnet werden.

Die Teilsysteme 50 der ersten Art weisen eine Reaktionszeit kleiner 1s, insbesondere kleiner 500ms, vorzugsweise kleiner 300ms auf. Sie erlaube somit ein sehr schnelles Reagieren auf Veränderungen, insbesondere dem Bedarf des Verbraucher 92 oder dem Stromnetz 94.

Unter „Reaktionszeitraum“ wird die Zeit verstanden, bis ein erstes Anpassen der bereitgestellten Leistung erfolgt.

Ferner können die Teilsystem der ersten Art das Ändern der bereitgestellten Leistung innerhalb von weniger als 1 min, insbesondere weniger als 5s, vorzugsweise weniger als 3s abschließen. Dieser Zeitraum wird auch als Regulierungszeitraum bezeichnet

Um einen solch schnellen Reaktionszeitraum und Regulierungszeitraum zu erreichen, weisen die Teilsysteme der ersten Art zumindest einen Verbraucher 22 und/oder Energiespeicher 23 auf. Der Verbraucher 22 ist insbesondere als Chopper-Widerstand ausgebildet.

Dieser ermöglicht ist elektrische Leistungen, die kurzfristig nicht benötigt werden in Wärme umzuwandeln.

Der Energiespeicher 23 ist insbesondere als Kondensator oder Batterie ausgebildet. Der Energiespeicher 23 ermöglicht es kurzfristig Leistung bereitzustellen oder aufzunehmen.

Der technische Aufwand für Verbraucher 22 und/oder Energiespeicher 23 ist kann nicht unerheblich sein und kann signifikant zu den Kosten beitragen. Typischerweise ist eine Umsetzung eines solchen Teilsystems der ersten Art gegenüber einer Umsetzung des Teilsystems der zweiten Art mit Mehrkosten bzw. Mehraufwand verbunden.

Ein Teilsystem der zweiten Art ist ausgebildet und eingerichtet, lediglich ein An- und Ausschalten zu ermöglichen. Ein solches System ist in Figur zwei beispielhaft als 60 dargestellt. Die Leistungsabgabe kann hierbei nur binär (An, Aus) gesteuert werden. Es kann somit eine definierte Leistung bereitgestellt werden oder das gesamte Teilsystem wird abgeschalten. Ein Ändern der bereitgestellten Leistung ist insbesondere nur eingeschränkt und dann langsam möglich. Ein Ändern in einem Leistungsbereich ist bei einem solchen System nur sehr langsam, wenn überhaupt notwendig. Ein solches Teilsystem erfüllt somit nicht die Erfordernisse für ein regelbares System gemäß dem Grid-Code.

Brennstoffzelleneinheiten 12 benötigen nach dem Abschalten eine definierte Zeit, insbesondere 4 bis 10 Stunden, vorzugsweise 4 bis 6 Stunden bis sie wieder einsetzbar sind. Ferner müssen nach dem Abschalten die Brennstoffzelle gespült werden. Auch muss das Aufwärmen definiert erfolgen. Das ist einer der Gründe für die Trägheit von Brennstoffzelleneinheiten 12.

In Figur 2 ist ein zweites Teilsystem 60 beispielhaft dargestellt.

Ein Teilsystem der dritten Art weist einen Hot-Standby Modus auf. Ein solches System ist in Figur zwei beispielhaft als 70 dargestellt. Bei einem solchen System kann Leistungsabgabe aktiviert oder deaktiviert werden. Das Aktivieren oder Deaktivieren erfolgt insbesondere innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums, insbesondere vergleichbar zu dem Regulierungszeitraum. Bei einem Hot- Standby-Modus bleibt die Brennstoffzelle bei deaktivierter Leistungsabgabe auf Betriebstemperatur. Die Brennstoffzelle wird dabei weiter mit Brennstoff und/oder dem Oxidationsmedium versorgt. Alternativ oder zusätzlich bleibt das Heizelement 44 aktiviert.

Der technische Aufwand für ein Teilsystem der dritten Art kann nicht unerheblich sein. So kann es notwendig sein, stabile und effiziente Regelungsstrategien auszulegen, umzusetzen und zu erproben. Möglicherweise ist eine Umsetzung eines solchen Teilsystems gegenüber der Umsetzung eines Teilsystems der zweiten Art mit Mehrkosten und/oder Mehraufwand verbunden.

Unabhängig hiervon können die Brennstoffzellen der drei Arten von Teilsystemen auch mittels Regulierens ihre Leistungsabgabe anpassen. Das erfolgt allerding sehr langsam und ist daher zur Erfüllung der Grid-Code Vorgaben in der Regel nicht ausreichend schnell.

Das Regulieren umfasst das Ändern, insbesondere das Erhöhen oder Reduzieren, der Zufuhr eines Brennstoffs und/oder der Zufuhr eines Oxidationsmediums und/oder die Erwärmung des zugeführten Oxidationsmediums und/oder die Erwärmung des Brennstoffs und/oder die Rezirkulationsrate in die zu regulierende Brennstoffzelleneinheit. Durch das Regulieren wird eine Änderung der abgegebenen Leistung erreicht. Die Brennstoffzelleneinheiten 12 reagiert hierbei sensitiver auf eine Änderung der Zufuhr an Brennstoff als auf eine Änderung des Oxidationsmediums und/oder der Rezirkulationsrate.

Vorzugsweise erfolgt ein individuelles Regulieren einer jeden Brennstoffzelleneinheiten 12. Vorzugsweise erfolgt eine Regelung von Gruppen von Brennstoffzelleneinheiten 12. Insbesondere können mehrere Brennstoffzelleneinheiten 12 zu einer Gruppe zusammengefasst sein, die dann von einer Prozessoreinheit 14 versorgt werden.

Beispielsweise kann so mittels eines Verdichters 42 in der Luftzuführung 16, die Zufuhr von Luft L reguliert werden. Ein Verdichter 42 in der Brennstoffzuführung 24 kann die Zufuhr von Brennstoff B regulieren. Ein Verdichter 42 im Anodenrezirkulationskreis 40 kann die Rezirkulationsrate des Anodenabgases AA regeln.

Vorteilhaft ist, dass eine erfindungsgemäße Energieversorgungseinrichtung 1 mehrere Teilsysteme aufweist. Die Kombination ermöglicht ein Regelbares System bereitzustellen, bei dem dennoch nicht alle Teilsysteme regelbar entsprechend einem Teilsystem der ersten Art sind. Es ergeben sich hierdurch Kostenvorteile.

In Figur 3 ist ein Diagramm mit beispielhaften Energieversorgungseinrichtungen 1 dargestellt. Auf der Y-Achse ist die maximal mögliche Leistungsabgabe dargestellt. Auf der X-Achse sind verschiedene Energieversorgungseinrichtung dargestellt

In Figur 3 sind vier Beispiele für Energieversorgungseinrichtung 1 dargestellt.

Das erste Beispiel einer Energieversorgungseinrichtung 1 ist ganz links dargestellt. Die Energieversorgungseinrichtung 1 weist drei Teilsysteme 60 der zweiten Art, zwei Teilsysteme 50 der ersten Art und zwei Teilsysteme der dritten Art 70 auf. Durch die schnelle Änderbarkeit der ersten Teilsystem 50 und das Hot-Standby des dritten Systems 70 erfüllt diese Energieversorgungseinrichtung 1 die Anforderungen der meistens Grid-Codes. Die schnelle Änderbarkeit erstreckt sich über die zwei Teilsysteme der ersten Art und die Teilsysteme der dritten Art 70.

Das zweite Beispiel einer Energieversorgungseinrichtung 1 ist als zweites von links dargestellt. Die Energieversorgungseinrichtung 1 weist drei Teilsysteme 60 der zweiten Art, ein Teilsysteme 50 der ersten Art und zwei Teilsysteme der dritten Art 70 auf. Es weist gegenüber dem ersten Beispiel eine reduzierte Gesamtleistung auf auch ist es in einem kleineren Leistungsbereich schnell änderbar.

Der Leistungsbereich der schnellen Änderbarkeit erstreckt sich über den Leistungsbereich der Teilsysteme der ersten und dritten Art.

Das dritte Beispiel einer Energieversorgungseinrichtung 1 ist als zweites von rechts dargestellt. Die Energieversorgungseinrichtung 1 weist drei Teilsysteme 60 der zweiten Art, ein Teilsysteme 50 der ersten Art und ein Teilsystem der dritten Art 70 auf. Die Regelbarkeit und Hot-Standby Fähigkeit ist nochmals reduziert.

Das vierte Beispiel einer Energieversorgungseinrichtung 1 ist ganz rechts dargestellt. Die Energieversorgungseinrichtung 1 weist drei Teilsysteme 60 der zweiten Art, ein Teilsysteme 50 der ersten Art und kein Teilsystem der dritten Art 70 auf. Ein solches System weist keine Hot-Standby Fähigkeit auf.

Die gezeigten Teilsysteme können vorteilhaft skaliert werden. Vorzugweise können mindestens 10 %, vorzugsweise mindestens 15%, der Teilsysteme von der ersten Art sein. Die Skalierung und Kombinatorik der Teilsysteme der ersten, zweiten und dritten Art können insbesondere so gewählt werden, dass sie den gewünschten Nutzungsfall und die damit zu erwartende und geforderte Abdeckung der Änderungsraten der gewünschten Leistungsabgabe erfüllen. Dies sollte so kosteneffizient wie möglich gestaltet werden bzw. mit so wenig technischem Aufwand wie nötig. Aus diesem Grund sollte vorteilhaft bei der Auswahl der Kombinatorik darauf geachtet werden, dass möglichst viele Teilsysteme der zweiten Art, und nur so viele Teilsysteme der ersten und dritten Art wie notwendig verwendet werden.

Vorteilhaft ist, dass die Energieversorgungseinrichtung 1 durch die Kombination der Teilsysteme ein maximal flexibel regelbares Gesamtsystem erreicht wird. Es ist in der Regel nicht notwendig alle Teilsysteme regelbar zu machen. Vielmehr reicht es, wenn einige wenige regelbar und/oder Hot-Standby fähig sind, um den gewünschten Nutzungsfall abdecken zu können, aber vorteilhaft trotzdem über alle Teilsysteme ein Grid-Code konformes Gesamtsystem ausweisen zu können. Hierbei ist insbesondere darauf zu achten, dass die Anzahl der Teilsysteme der ersten Art und auch der dritten Art so ausgewählt wird, dass die maximal zu erwartenden Leistungsänderungen oder die mit den zu versorgenden Verbrauchern definitere maximale Zuschaltrate (z.B. +/- 20kW pro 5min), maximaler Leistungssprung (z.B. +/- 5kW), minimale und maximale Gesamtleistung (z.B. 70kW...180kW) ausreichend abdeckt.