Produktionsstäte

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine mit klimaneutraler thermischer und elektrischer Energie versorgte, autarke Produktionsstätte.

Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung eine durch Sektorenkupplung integrierte Anlage zur, klimaneutraten Versorgung eines Objekts mit thermischer und elektrischer Energie unter Verwendung von klimaneutral erzeugtem Wasserstoff.

Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren für die klimaneutrale Versorgung einer autarken Produktionsstätte mit elektrischer und thermischer Energie unter Verwendung von klimaneutral erzeugtem Wasserstoff.

Nicht zuletzt betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung der autarken Produktionsstätte zur Herstellung und Bearbeitung von Gütern,

Stand der Technik

Wasserstoff und elektrische Energie, die aus erneuerbaren Energien und Energiequellen gewonnen werden, sind die zentralen Bausteine der klimaneutralen Technologie der Zukunft. Vergleiche hierzu beispielsweise den Bericht: e-mobil BW Landesagentur für Elektromobilität und Brennstoffzellentechnologie Baden-Württernberg GmbH, „Wasserstoff-Infrastruktur für eine nachhaltige Mobilität - Entwicklungsstand und Forschungsbedarf, März 2013.

Zur effektiven und effizienten Nutzung der Energie aus erneuerbaren Energieformen ist die Sektorenkopplung (englisch: Sector Coupling oder Integrated Energy), d. h., die Vernetzung der Sektoren der Energiewirtschaft sowie der Industrie, die gekoppelt und in einem gemeinsamen ganzheitlichen Ansatz optimiert werden, notwendig. Traditionell wurden die Sektoren Elektrizität, Wärmeversorgung oder Kälteversorgung, Verkehr und Industrie weitgehend unabhängig voneinander betrachtet. Bei dem Konzept der Sektorenkopplung werden nur auf einzelne Sektoren zugeschnittene Lösungsansätze, die nur Lösungen innerhalb des jeweiligen Sektors berücksichtigen, nicht mehr weiterverfolgt und stattdessen eine ganzheitliche Betrachtung aller Sektoren durchgeführt, um ein besseres und günstigeres Gesamtsystem zu ermöglichen. So geht aus der chinesischen Patentanmeldung CN 11191021 OA ein komplementäres, integriertes Wind-Solar-Wasserstoffspeicher-System hervor, das Windkraftanlagen, Solarfotovoltaik-Stromerzeugungsanlagen, Energiespeicheranlagen und Wasserelektrolyse- Wasserstoffproduktionsanlagen umfasst, wobei eine Wasserstoffspeichervorrichtung und ein Wasserstoffförderrohrnetz miteinander verbunden sind. Die Windkraftanlagen, die Fotovoltaik- Solaranlagen, die Speicheranlagen und die Wasserelektrolyse-Wasserstoffproduktionsanlagen sind über ein internes Stromnetz und nicht mit einem externen Stromnetz verbunden. Sie arbeiten also in einem isolierten Netzwerkmodus, Durch die Einrichtung des integrierten Wasserstoff Produktions- und Versorgungssystems mit Wind-Solar-Wasserstoffspeicher und isoliertem Netzbetrieb wird sauberer Ökostrom mit einer breiteren Anwendung in hochwertigen Wasserstoff umgewandelt und das Entwicklungsniveau für grüne Energie verbessert.

Aus der amerikanischen Patentanmeldung US 2014/0202154 A1 ist ein hohes mehrstöckiges Gebäude mit Solar-, Wind- und Wasserstoff-Subsystemen bekannt, die ein integriertes System für erneuerbare Energie darstellen. Das Solarsubsystem umfasst mehrere Fotovoltaikmodule zur Erzeugung einer ersten elektrischen Energiequelle und ein konzentriertes Solarthermiesystem zur Erzeugung einer zweiten elektrischen Energiequelle. Das konzentriertes Solarthermiesystem umfasst mehrere Richtspiegel, die dazu dienen, Sonnenenergie auf mehrere Dampf erzeugende Gefäße zu konzentrieren, um mit dem erzeugten Dampf die Turbine eines Generators anzutreiben. Das Wind-Teilsystem umfasst mindestens eine Windkraftanlage zur Erzeugung einer driten elektrischen Energiequelle, Das Wasserstoff-Subsystem umfasst ein künstliches Fotosynthesesystem durch Fotoelektrolyse zur Erzeugung von Wasserstoff sowie eine Brennstoffzelle, die den Wasserstoff zur Erzeugung einer vierten elektrischen Energiequelle durch umgekehrte Hydrolyse aufnimmt. Das künstliche Fotosynthesesystem erhält eine der ersten, zweiten und driten Stromquellen, um Wasserstoff von einer Flüssigkeit auf Wasserstoftoasts, insbesondere Wasser, zu trennen, um die Wasserstoffversorgung sicherzustellen. Das Wasserstoff-Subsystem umfasst ferner ein Speichersystem, um Wasserstoff zur späteren Verwendung in der Brennstoffzelle zu speichern.

Aus der amerikanischen Patentanmeldung US 2008/0127646 A1 sind ein System und ein Verfahren zur Erzeugung von Energie aus erneuerbaren Energiequellen sowie gegebenenfalls zum Verbrauch der Energie zur Erzeugung von Wasserstoff bekannt. Ein Gesamtsystemansatz verbessert die Effizienz, indem man die Stromerzeugung über einen größeren Bereich von Bedingungen und die elektrische Energie gemäß den Anforderungen des Wasserstoffkonverters steuert. Dies wird durch eine Gesamtsystemsteuerung ermöglicht, die das gesamte System dynamisch optimiert, um die verfügbaren Inputs wie erneuerbare gespeicherte Energie zu maximieren und gleichzeitig die maximal gewünschten Outputs wie Strom, Wasserstoff und Ertrag unter Berücksichtigung der endgültigen Kapazitäten der Komponenten und der historischen, aktuellen und vorhergesagten zukünftigen Daten bereitzustellen.

Aus dem deutschen Patent DE 10 2011 115 822 B4 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Versorgungszelle und Entsorgungszelle auf Wasser, Wasserstoff- und Sonnenenergiebasis zur Energieversorgung von Immobilien und Automobilen bekannt. Bei dem Verfahren wird das in der Immobilie anfallende Abwasser in der Zeile gereinigt. Der Feststoffanteil des Abwassers wird getrocknet, gelagert und dann einer speziellen Deponie zugeführt. Der flüssige Anteil des Abwassers wird auf Trinkwasserqualität gereinigt und für die Wasserstoffproduktion mittels Elektrolyse verwendet, wobei der anfallende Rest einer Versickerung zugeführt wird. Der Wasserstoff wird durch die Elektrolyse mithilfe von durch Sonnenenergie erzeugter Elektrizität produziert, mittels Wasserstoffverdichter verdichtet und in einem Wasserstofftank gelagert. Mithilfe eines mit dem Wasserstoff betriebenen Blockheizkraftwerks wird Wärme und elektrische Energie für eine Immobilie und elektrische Energie für Automobile erzeugt, wobei die produzierte Wärme in einen Speicher geleitet wird. Die elektrische Energie wird des Weiteren in ein Stadtkraftwerknetz über einen Plusminuszähler eingespeist, wobei das Stadtkraftwerknetz die Energie der Versorgungszelle und Entsorgungszelle von Computerprogrammen gesteuert anfordert und verteilt. Dabei wird die Energie in straßengeführte Leitungen zur induktiven Energieversorgung des Automobilverkehrs eingespeist.

Die bekannten Gesamtsystemansitze sind jedoch nicht für die Versorgung von Produktionsstätten mit klimaneutraier elektrischer und thermischer Energie optimiert. Denn einerseits weisen die Fertigungsanlagen häufig einen stark variierenden Energieverbrauch auf, was bei der Gesamtsystembetrachtung unbedingt berücksichtigt werden muss. Andererseits soll die Umgebung der Fertigungsanlagen konstante klimatische Bedingungen aufweisen. Die bisher bekannten integrierten Energiesysteme sind aber nicht in dem gewünschten Ausmaß in der Lage, diese sich widersprechenden Bedingungen zu erfüllen,

Aufgabe der vorliegenden Erfindung

Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zu Grunde, eine im Wesentlichen oder völlig autarke Produktionsstäte bereitzustellen, die mithilfe einer durch Sektorenkupplung integrierten Anlage klimaneutral mit thermischer und elektrischer Energie unter Verwendung von klimaneutral erzeugtem Wasserstoff versorgt werden kann. Dabei soll die autarke, klimaneutrale Energieversorgung einerseits den häufig stark variierenden Energieverbrauch der Fertigungsanlagen sicherstellen und andererseits die klimatischen Bedingungen in der Umgebung der Fertigungsanlagen konstant halten. Dabei soll die Produktionsstätte bei Tag und bei Nacht, bei hohen und tiefen Temperaturen, zu verschiedenen Jahreszeiten, in unterschiedlichen geographischen Umgebungen und Klimazonen die Produkte und Güter in gleichbleibender Qualität in der gewünschten Zeit liefern. Nicht zuletzt soll die autarke, klimaneutrale Energieversorgung der Produktionsstätte gegen schädliche äußere Einflüsse wie Sabotage oder Stromausfälle im öffentlichen Netz geschützt werden.

Die erfindungsgemäße Lösung

Demgemäß wurde die mit klimaneutraler, thermischer und elektrischer Energie versorgte, autarke Produktionsstätte gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gefunden, die im Folgenden als „erfindungsgemäße Produktionsstätte“ bezeichnet wird. Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Produktionsstätte gehen aus den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 11 hervor.

Außerdem wurde das Verfahren zur klimaneutralen Versorgung einer autarken Produktionsstätte mit elektrischer und thermischer Energie gemäß dem unabhängigen Anspruch 18 gefunden, welches im Folgenden als „erfindungsgemäßes Verfahren“ bezeichnet wird. Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens gehen aus den abhängigen Patentansprüchen 12 bis 14 hervor. Des Weiteren wurde die Verwendung der erfindungsgemäßen Produktionsstätte gemäß Patentanspruch 1 und des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Patentanspruch 12 zur klimaneutralen Herstellung, Verarbeitung und Bearbeitung von Gütern gefunden (vgl. Aspruch 15), Vorteile der Erfindung

Im Hinblick auf den Stand der Technik war es überraschend und für den Fachmann nicht vorhersehbar, dass die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zu Grunde lag, mithilfe der erfindungsgemäßen Produktionsstätte, des erfindungsgemäßen Verfahrens, der erfindungsgemäßen Verwendung und der erfindungsgemäßen Anlage gelöst werden konnte. Insbesondere war es überraschend, dass die erfindungsgemäße Produktionsstätte und die erfindungsgemäße sektorengekoppelte Anlage hervorragend in so gut wie allen Klimazonen und unter den unterschiedlichsten Wetterbedingungen und geographischen Bedingungen betrieben werden konnte. So konnten die erfindungsgemäße sektorengekoppelte Anlage und die erfindungsgemäße Produktionsstätte hervorragend an die wechselnden Wetter- und Temperaturbedingungen in gemäßigten Klimazonen mit ausgeprägten Jahreszeiten angepasst werden. Sie konnten an und in Wasserläufen, Seen und Meeren errichtet werden und deren Energien hervorragend nutzen.

Die erfindungsgemäße Produktionsstätte und die erfindungsgemäße Anlage war autark und konnten klimaneutral mit thermischer und elektrischer Energie unter Verwendung von klimaneutral erzeugtem Wasserstoff versorgt werden. Dabei konnte die autarke, klimaneutrale Energieversorgung einerseits den häufig stark variierenden Energieverbrauch der Fertigungs-, Verarbeitungs- und Bearbeitungsanlagen in den erfindungsgemäßen Produktionsstätten sicherstellen und andererseits die klimatischen Bedingungen in der Umgebung der Fertigungs-, Verarbeitungs- und Bearbeitungsanlagen konstant halten. Dadurch konnte die erfindungsgemäße Produktionsstätte bei Tag und bei Nacht, bei hohen und tiefen Temperaturen, zu verschiedenen Jahreszeiten, in unterschiedlichen geographischen Umgebungen und Klimazonen die Güter in gleichbleibender Qualität in der gewünschten Zeit liefern. Nicht zuletzt konnte die klimaneutrale Energieversorgung der erfindungsgemäßen Produktionsstätte gegen schädliche äußere Einflüsse wie Sabotage oder Stromausfälle im öffentlichen Netz sehr viel besser geschützt werden als eine nicht autarke Produktionsstätte.

Mithilfe der erfindungsgemäßen sektorengekoppelten Anlage konnten die unterschiedlichsten Objekte mit thermischer und elektrischer Energie autark versorgt werden, wodurch sich dieselben wesentlichen Vorteile wie bei der erfindungsgemäßen Produktionsstätte ergaben.

Weitere Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Produktionsstätte ist autark und wird mit klimaneutraler, thermischer und elektrischer Energie versorgt.

Die Energieversorgung ist eine sektorengekoppelte Anlage, die die folgenden Vorrichtungen oder Sektoren umfasst: mindestens zwei unterschiedliche sektorengekoppelte Anlagen zur Erzeugung von elektrischer Energie aus mindestens zwei, insbesondere zwei, Arten erneuerbarer Energien, mindestens eine elektrische Leitung von den mindestens zwei sektorengekoppelten Anlagen zu der Produktionsstätte, mindestens eine elektrische Leitung zu mindestens einer Wasserelektrolyseanlage oder zu mindestens einem Elektrolyseur; im Folgenden wird stets der Begriff Elektrolyseur verwendet, den mindestens einen Elektrolyseur mit mindestens einem Kathodenraum zur Erzeugung von Wasserstoff und mindestens einem Anodenraum zur Erzeugung von Sauerstoff (O ₂ ), mindestens eine Wasserstoffleitung von dem mindestens einen Kathodenraum des mindestens einen Elektrolyseurs zu mindestens einem Wasserstoffspeicher, mindestens eine Wasserstoffleitung von dem mindestens einen Wasserstoffspeicher zu der mindestens einen Brennkammer des mindestens einen Blockheizkraftwerks, mindestens eine elektrische Leitung von der mindestens einen Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie in dem mindestens einen Blockheizkraftwerk zu der eigentlichen Produktionsstätte und mindestens eine Abwärmeleitung von dem mindestens einen Blockheizkraftwerk zu der Produktionsstätte.

Eine erste bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Produktionsstätte umfasst mindestens eine Sauerstoffleitung von dem mindestens einen Anodenraum zu mindestens einem Sauerstoffspeicher.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Produktionsstäte umfasst mindestens eine Sauerstoffleitung von dem mindestens einen Sauerstoffspeicher zu dem mindestens einen Brennraum und des mindestens einen Blockheizkraftwerks und/oder zu mindestens einer Brennstoffzelle. Der besondere Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass der erzeugte Sauerstoff in der mindestens einen Brennkammer des mindestens einen Blockheizkraftwerks oder in der Brennstoffzelle genutzt werden kann, was die Energiebilanz der erfindungsgemäßen sektorengekoppeiten Anlage und der erfindungsgemäßen Produktionsstätte weiter verbessert. Des Weiteren kann der Sauerstoff in mindestens einer Brennstoffzelle zur Stromerzeugung genutzt werden. Dabei kann der erzeugte Wasserstoff vorteilhafterweise als Brennstoff verwendet werden.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Produktionsstätte und der erfindungsgemäßen Anlage liegt darin, dass ihre Sektoren energiegekoppelt sind, wodurch die Flexibilität gesteigert und die Energiebilanz noch einmal weiter verbessert wird.

Besonders vorteilhaft ist die Ausführungsform, bei der die Energieaufnahme, die Energieumwandlung und die Energieabgabe in den Sektoren durch eine elektronische Kontrolleinheit zentral überwacht und gesteuert wird.

Dabei ist es ein wesentlicher Vorteil, dass sich die energiegekoppelten Sektoren auf dem Betriebsgelände der Produktionsstätte befinden,

Die erfindungsgemäße Produktionsstätte und die erfindungsgemäße sektorengekoppelte Anlage nutzen bevorzugt mindestens zwei, insbesondere zwei, Arten von erneuerbaren Energien, die aus der Gruppe, bestehend aus Solarenergie, Wasserkraft, Meeresenergie, Windenergie, Bioenergie und Geothermie, ausgewählt sind.

Besonders bevorzugt nutzen die erfindungsgemäße Anlage und die erfindungsgemäße Produktionsstätte zur Energiegewinnung zwei unterschiedlichen Anlagen aus der Gruppe, bestehend aus Fotovoltaikanlagen, Solarthermieanlagen, Solarchemieanlagen, Aufwindkraftwerken, Staudämmen, Staumauern, Laufwasserkraftwerken, Wassermühlen, Strombojen, Vorrichtungen zur Nutzung der Wellenenergie des Meeres, Vorrichtungen zur Nutzung der Strömungsenergie des Meeres, Vorrichtungen zur Nutzung der Meereswärme, Osmosekraftwerken, Windkraftanlagen, Flugwindkraftwerken, Windmühlen, Biogasanlagen und geothermischen Kraftwerken,

Ganz besonders bevorzugt sind die mindestens zwei unterschiedlichen Anlagen mindestens eine Fotovoltaikanlage und mindestens eine Windkraftanlage.

Vorzugsweise hat die mindestens eine Fotovoltaikanlage einen Watt Peak von 1 MWp bis 10 MWp, bevorzugt 1 MWp bis 8 MWp und insbesondere 1 MWp bis 6 MWp unter Standard- Testbedingungen (STC) mit den folgenden Parametern: Zeltentemperatur = 25 °C; Bestrahlungsstärke = 1000 W/m ² ; Sonnenlichtspektrum gemäß AM (Luftmasse) = 1,5. Vorzugsweise hat die mindestens eine Windkraftanlage eine Nennleistung von 500 kW bis 3000 kW, bevorzugt 600 kW bis 2500 kW und insbesondere 700 kW bis 2000 kW bei einer Windgeschwindigkeit von 13 m/s und einer Drehzahl von 19 U/min.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Produktionsstätte wird als die mindestens eine Windkraftanlage eine Windkraftanlage der Firma Wind My Roof, Vincennes, Frankreich, verwendet, die z. B. in der europäischen Patentanmeldung EP 3786445 A1 beschrieben wird. Diese Windkraftanlage hat die folgenden wesentlichen Bestandteile: Eine Umhüllung, die zwei Seitenwände, eine untere Wand und eine obere Wand aufweist, die zusammen die Umhüllung mit einer Frontfläche und einer Rückfläche mit jeweils einer Öffnung definieren, sowie eine Gehäuse, worin sich eine Turbine befindet, die auf ihrer sich horizontal zwischen den beiden Seitenwinden erstreckenden Drehachse gelagert ist, wobei die Turbine durch einen Luftstrom, der an der Frontfläche eintritt beweglich ist, und wobei die Windkraftanlage einen Deflektor aufweist, der sich von dem unteren Teil der Frontfläche in Richtung der oberen Wand zum Inneren des Gehäuses hin erstreckt, wobei die obere Wand und der Deflektor zusammen einen Lufteinlasskanal definieren, der die Luft zur Turbine lenkt

Es ist ein ganz wesentlicher Vorteil dieser Windkraftanlagen, dass sie direkt auf Flachdächern der Gebäude der erfindungsgemäßen Produktionsstätte angebracht werden können. Dabei werden sie so an den Kanten der Flachdächer aufgesetzt, dass die an den Wänden der Gebäude von unten nach oben strömenden Luftströme durch die Deflektoren eingefangen zu den Turbinen gelenkt werden. Außerdem können auf ihren oberen Wänden Fotovoltaikanlagen angebracht werden, sodass besonders kompakte, sektorengekoppelte Anlagen zur Erzeugung elektrischer Energie resultieren.

Da eine Vielzahl dieser Windkraftanlagen zur Deckung des Energiebedarfs zusammengeschaltet werden können, kann die sektorengekoppelte Anlage optimal an einen variierenden Energiebarf einerseits und variierende Umweltbedingungen angepasst werden.

Vorzugsweise wird mindestens ein Elektrolyseur aus der Gruppe, bestehend aus alkalischen Hoch- und Niederdruckelektrolyseuren, Protonen-Austausch ^« Membran-(PEM)-EIektrolyseuren, Hochtemperatur-Elektrolyseuren, Molybdänsulfid-Elektrolyseuren und Nickel-Eisen- Elektrolyseuren, verwendet. Vorzugsweise wird mindestens ein Wasserstoffspeicher aus der Gruppe, bestehend aus Druckgasspeichern, Flüssiggasspeichern, transkritischen (cryo compressed) Speichern, adsorbtiven Speichern und Speichern mit flüssigen organischen Wasserstoffträgern (LOHC), verwendet.

Bevorzugt ist das mindestens eine Blockheizkraftwerk stromorientiert ist. Bei Bedarf kann zusätzlich mindestens ein wärmeorientiertes Blockheizkraftwerk verwendet werden.

Besonders bevorzugt wird die mindestens eine Vorrichtung oder Generator zur Erzeugung des elektrischen Stroms in dem Blockheizkraftwerk von einem Gasmotor betrieben. Der Gasmotor verwendet ganz besonders bevorzugt reinen Wasserstoff als Treibstoff. Sofern ein Erdgastank auf dem Betriebsgelände zur Verfügung steht kann auch ein Gemisch aus Wasserstoff und Erdgas verwendet werden.

Je nach Größe der erfindungsgemäßen Anlage beträgt die jährliche erzeugte elektrische Energie 1,0 GWh bis 1,0 TWh, vorzugsweise 1,0 GWh bis 800 GWh, bevorzugt 1,5 GWh bis 500 GWh, besonders bevorzugt 2 GWh bis 100 GWh, ganz besonders bevorzugt 2 GWh bis 50 GWh und insbesondere 2 GWh bis 10 GWh,

Es ist von Vorteil, wenn die von dem mindestens einen Blockheizkraftwerk erzeugte Abwärme für die Klimatisierung der erfindungsgemäßen Produktionsstätte verwendet wird.

Darüber hinaus umfasst die vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Produktionsstätte vorteilhafterweise Peripherien zur elektronischen, hydraulischen, pneumatischen und mechanischen Steuerung und zur Regelung und Messung der physikalischen und chemischen Parameter bei der Durchführung des nachstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens, Die Peripherie umfasst elektronische Datenverarbeitungsanlagen, elektrische, mechanische, hydraulische und pneumatische Aktuatoren sowie Druck-, Temperatur- und Durchflussmessgeräte und Sensoren für chemische Verbindungen. Des Weiteren umfasst die erfindungsgemäße Produktionsstätte Vorrichtungen und Anlagen für die Anlieferung, die Lagerung und den Abtransport von Produkten,

Erfindungsgemäß umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zur klimaneutralen Versorgung einer autarken Produktionsstätte mit elektrischer und thermischer Energie die folgenden Verfahrensschritte: (I) Erzeugung von elektrischer Energie in mindestens zwei unterschiedlichen sektorengekoppelten Anlagen aus mindestens zwei Arten erneuerbarer Energien,

(II) Leitung der erzeugten elektrischen Energie durch mindestens eine erste elektrische Leitung von den mindestens zwei unterschiedlichen sektorengekoppelten Anlagen zu der Produktionsstätte und/oder

(III) Leitung der erzeugten elektrischen Energie durch mindestens eine zweite elektrische Leitung zu mindestens einer Elektrolyseanlage oder mindestens einem Elektrolyseur,

(IV) Erzeugung von Wasserstoff (H ₂ ) in dem mindestens einen Kathodenraum und Erzeugung von Sauerstoff (O ₂ ) in dem mindestens einen Anodenraum des mindestens einen Elektrolyseurs,

(V) Leitung des erzeugten Wasserstoffs (H ₂ ) durch mindestens eine Wasserstoffleitung von dem mindestens einen Kathodenraum des mindestens einen Elektrolyseurs zu mindestens einem Wasserstoffspeicher,

(VI) Leitung des gespeicherten Wasserstoffs (Hz) durch mindestens eine Wasserstoffleitung von dem mindestens einen Wasserstoffspeicher zu der mindestens einen Brennkammer mindestens eines Blockheizkraftwerks,

(VII) Verbrennung des zugeführten Wasserstoffs (Hz) in der mindestens einen Brennkammer mit Luftsauerstoff und/oder gespeichertem Sauerstoff (O ₂ ),

(VII) Erzeugung von elektrischer Energie in der mindestens einen Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie des mindestens einen Blockheizkraftwerks,

(VIII) Leitung der erzeugten elektrischen Energie durch mindestens eine dritte elektrische Leitung von der mindestens einen Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie zu der

Produktionsstätte und

(IX) Leitung der von der mindestens einen Brennkammer erzeugten Abwärme durch mindestens eine Abwärmeleitung von dem Blockheizkraftwerk zu der Produktionsstätte. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der in dem mindestens einem Anodenraum erzeugte Sauerstoff (O ₂ ) durch mindestens eine Sauerstoffleitung zu mindestens einem Sauerstoffspeicher geleitet und darin gespeichert. Bevorzugt wird er als Gas oder bei tiefen Temperaturen als Flüssigkeit gespeichert.

In noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der in dem mindestens einen Sauerstoffspeicher gespeicherte Sauerstoff (O ₂ ) durch mindestens eine Sauerstoffleitung zu dem mindestens einen Brennraum des mindestens einen Blockheizkraftwerks geleitet, worin er den Wasserstoff (Ha) in mindestens einer Flamme verbrennt.

In noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der in dem mindestens einen Sauerstoffspeicher gespeicherte Sauerstoff (O ₂ ) in mindestens einer Brennstoffeelle zur Erzeugung von elektrischem Strom genutzt, Als Brennstoff wird vorzugsweise der Wasserstoff (Ha) aus dem mindestens einen Wasserstoffspeicher verwendet.

Besonders bevorzugt sind bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Sektoren zur Umwandlung, Erzeugung und Abgabe von Energie energiegekoppelt.

Ganz besonders bevorzugt werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Energieaufnahme, die Energieumwandlung und die Energieabgabe in den Sektoren durch eine elektronische Kontrolleinheit zentral gesteuert.

Insbesondere befinden sich die energiegekoppelten Sektoren zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf dem Betriebsgelände der Produktionsstätte.

Für das erfindungsgemäße Verfahren werden bevorzugt die vorstehend beschriebenen mindestens zwei Arten von erneuerbarer Energie verwendet.

Des Wetteren werden für das erfindungsgemäße Verfahren die vorstehend beschriebenen mindestens zwei unterschiedlichen Anlagen, insbesondere mindestens eine Fotovoltaikanlage und mindestens eine Windkraftanlage, beide wie vorstehend beschrieben, verwendet.

Außerdem wird für das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise mindestens eine der vorstehend beschriebenen Wasserelektrolyseanlagen oder mindestens einer der vorstehend beschriebenen Elektrolyseure verwendet. Darüber hinaus wird für das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise mindestens einer der vorstehend beschriebenen Wasserstoffspeicher verwendet. Bevorzugt ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das mindestens eine Blockheizkraftwerk stromorientiert, wobei die mindestens eine Vorrichtung zur Erzeugung des elektrischen Stroms von einem Gasmotor betrieben wird. insbesondere erzeugt das erfindungsgemäße Verfahren jährlich elektrische Energie in der Größenordnung der vorstehend angegebenen Bereiche.

Es ist ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, dass mit der von dem mindestens einen Blockheizkraftwerk erzeugten Abwärme die mindestens eine erfindungsgemäße Produktionsstätte klimatisiert werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt auf dem Betriebsgelände der erfindungsgemäßen Produktionsstätte durchgeführt. Die erfindungsgemäße Produktionsstätte dient der klimaneutralen Herstellung, der Bearbeitung und/oder der Verarbeitung von Gütern aller Art. Beispiele für erfindungsgemäße Produktionsstätten sind Metalle, Chemikalien, Kunststoffe, Nahrungsmittel und/oder Konsumgüter erzeugende, bearbeitende und/oder verarbeitende Betriebe.

Beispiele für Objekte, insbesondere stationäre Objekte, die durch die mindestens eine erfindungsgemäße sektorengekoppelte Anlage mit thermischer und elektrischer Energie versorgt werden, sind Hallen, Wohnhäuser, Hotels, Kliniken, Bahnhöfe, Flugzeugterminals und Hafenanlagen.

Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand des Fließschemas der Figur 1 näher erläutert. Der Fachmann kann anhand des Fließschemas jederzeit ohne eigenes erfinderisches Zutun weitere Konfigurationen der erfindungsgemäßen sektorengekoppelten Anlage zur autarken, kiimaneutralen Versorgung von Produktionsstätten mit thermisch und elektrischer Energie auffinden, ohne das Gebiet der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

In der Figur 1 haben die Bezugszeichen die folgende Bedeutung:

1 Produktionsstätte 2 Sektorengekoppelte Anlage durch erneuerbare Energien

2.1 bis

2.4 Sektorengekoppelte Anlagen zur Erzeugung von elektrischem Strom aus unterschiedlichen erneuerbaren Energien 3 Elektrolyseur

3.1 Kathodenraum

3.1.1 Wasserstoffleitung zum Wasserstoffspeicher 4

3.2 Anodenraum

3.2.1 Sauerstoffleitung zum Sauerstoffspeicher 3.2.2 3.2.2 Sauerstoffspeicher

3.2.3 Sauerstoffleitung zum Verbrennungsraum 5.1 des Blockheizkraftwerks 5

4 Wasserstoffspeicher

4.1 Wasserstoffleitung zur Brennkammer 5,1 des Blockheizkraftwerks 5

5 Blockheizkraftwerk 5.1 Brennkammer

5.2 Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie

E ₁ Elektrische Leitung von den Anlagen 2 zu der Produktionsstätte 1

E ₂ Elektrische Leitung von den Anlagen 2 zu der Elektrolyseanlage 3 E3 Elektrische Leitung von der Elektrizitätserzeugung 5.2 des Blockheizkraftwerks 5 zu der Produktionsstätte 1

H Abwärmeleitung vom Blockheizkraftwerk 5 zu der Produktionsstätte 1

H ₂ Wasserstoff

O ₂ Sauerstoff

Ausführliche Beschreibung einer erfindungsgemäßen Produktionsstätte 1 gemäß der

Figur 1

Auf dem Betriebsgelände einer metallverarbeitenden Produktionsstätte 1 befanden sich auf den Dächern der Produktionshallen und freien Flächen Fotovoltaikanlagen 2.1 einer Gesamtleistung oder einem Watt Peak von 2 MWp unter Standard-Testbedingungen (STC) mit den folgenden Parametern: Zellentemperatur = 25 °C; Bestrahlungsstärke = 1000 W/m ² ; Sonnenlichtspektrum gemäß AM (Luftmasse) = 1,5. Außerdem war eine Kleinwindkraftanlage 2,2 der Firma German Sustainabies GmbH mit einer Leistung von 1 MWp bei einer Windgeschwindigkeit von 13 m/s und einer Drehzahl von 19 U/min mit den Fotovoltaikanlagen 2.1 energiegekoppelt. Durch diese Konfiguration konnte beispielsweise bei starker Sonneneinstrahlung wie im Sommer die von den Fotovoltaikanlagen 2.1 erzeugte elektrische Energie durch elektrische Leitungen Ei zumindest teilweise direkt zu den verschiedenen Fertigungsanlagen, Bearbeitungsanlage und Verarbeitungsanlagen geleitet werden. Bei schlechtem, stürmischem Wetter konnte die Kleinwindkraftanlage 2.2 die direkte Versorgung der Fertigungsanlagen, Bearbeitungsanlage und Verarbeitungsanlagen mit Strom zumindest teilweise übernehmen.

Die von der Fotovoltaikanlagen 2.1 und der Kleinwindkraftanlage 2,2 erzeugte elektrische Energie wurde zumindest teilweise durch elektrische Leitungen E ₂ zu alkalischen Elektrolyseuren 3 geleitet, wie sie beispielsweise in der Firmenschrift „Alkalische Elektrolyse in der Industriellen Anwendung Wind to Gas - Speicherlösung Elektrolyse, 26.November 2012, VDI, IHK Gießen - Friedberg Mate Barisic, ELB Elektrolysetechnik“, ELB-Fräsentation-A-26-11 -2012-Barisic.pdf (seufert.org), beschrieben werden, geleitet. In den Kathodenräumen 3.1 der Elektrolyseure 3 wurde durch alkalische Druckelektrolyse Wasserstoff erzeugt, der über Wasserstoffdruckleitungen 3,1.1 in Gasspeicheranlagen 4 geleitet und dort zur weiteren Verwendung gespeichert wurde.

Der in den Anodenräumen 3.2 durch alkalische Druckelektrolyse erzeugte Sauerstoff wurde bei einer energetisch vorteilhaften Ausführungsform über Sauerstoffdruckleitungen 3,2,1 in Sauerstoffdruckgasspeicher 3.2.2 geleitet und dort zur weiteren Verwendung gespeichert.

Dadurch bestand die Möglichkeit, den erzeugten Sauerstoff in Brennstoffzellen zur Stromerzeugung zu nutzen. Dazu konnte auch der Wasserstoff H2 aus den Gasspeicheranlagen 4 mit Vorteil verwendet werden (Konfiguration in der Figur 1 nicht aufgeführt),

Außerdem bestand die Möglichkeit, den erzeugten Sauerstoff zusätzlich zu oder anstelle von Luftsauerstoff durch Sauerstoffleitungen 3.2.3 zu den Brennkammern 5.1 der energiegekoppelten, lokalen, stromorientierten Blockheizkraftwerken 5 zu leiten, und darin den durch die Wasserstoffleitungen 4.1 aus den Wasserstoffdruckgasspeichern zugeführten

Wasserstoff zu verbrennen. Durch den resultierenden Wasserdampf wurden Gasturbinen 5.2 zur Erzeugung elektrischer Energie angetrieben. Geeignete Blockheizkraftwerke 5 dieser Art werden beispielsweise von WOLF Power Systems (Wasserstoff-BHKW - WOLF Power Systems (wolf- ps.de)) vertrieben.

Die durch die stromorientierten Blockheizkraftwerke 5 erzeugte elektrische Energie wurde durch die elektrischen Leitungen E ₃ zu den verschiedenen Fertigungsanlagen, Bearbeitungsanlage und Verarbeitungsanlagen geleitet. Die erzeugte überschüssige Abwärme wurde durch Abwärmeleitungen H zu Zwecken der Klimatisierung in die Hallen der erfindungsgemäßen Produktionsstätte 1 geleitet. Durch diese erfindungsgemäße sektorengekoppelte Anlage mit den Sektoren 2.1; 2.2; 3; 4; 5 konnte jährlich elektrische Energie in der Höhe von 3,7 GWh klimaneutral erzeugt werden.