Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur autarken Bereitstellung von Energieträgern für Kraftfahrzeuge. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Anlage zur autarken Bereit stellung von alternativen Energieträgern.

Die Anzahl der in Deutschland zugelassenen elektrisch betriebenen Fahrzeuge (E- F ahrzeug) beträgt derzeit etwa 200.000. Zu elektrisch betriebenen Fahrzeugen zählen neben rein Batterie-elektrisch betriebenen Fahrzeugen auch sog. Hybrid-F ahrzeuge, welche eine Kombination aus Verbrennungsmotor und Elektroantrieb als Antriebs quellen umfassen. Die Anzahl elektrisch betriebener Fahrzeuge soll in der Zukunft stark erhöht werden, um den lokalen Ausstoß von CO2 im Verkehrs Sektor zu verrin gern. Eine gute Lade-Infrastruktur für die elektrisch betriebenen Fahrzeuge ist daher unabdingbar. Nach aktuellen Statistiken gibt es aktuell rund 5.000 öffentliche Lade säulen, an denen die elektrisch betriebenen Fahrzeuge geladen werden können. Der Zugang und die Handhabung der Ladesäulen ist für Besitzer der elektrisch betriebenen Fahrzeuge allerdings immer noch kompliziert und mit hohen Kosten verbunden. Aufgrund der erst im Aufbau befindlichen Lade-Infrastruktur existieren, insbesondere aufgrund unterschiedlicher Ladesäulen -Betreiber, regional unterschiedliche Techno logien. Neben der Handhabung der Ladesäulen, die je nach Betreiber unterschiedlich sein kann, sind auch die von den Betreibern verwendeten Geschäftsmodelle höchst unterschiedlich, was sich in unterschiedlichen Abrechnungsmodellen und unterschied lichen Preisen und/oder Ladezeiträumen bemerkbar macht. Auch die Zugangsvoraus setzungen sind unterschiedlich. An einem Ladepunkt muss sich ein Nutzer beispiels weise per SMS anmelden, an einem anderen wird eine App des betreffenden Betreibers der Ladesäulen benötigt. Teilweise sind Ladekarten und eine Vorabregistrierung auf einer Webseite erforderlich.

Für die erfolgreiche Umsetzung einer in Zukunft angestrebten E-Mobilität wird daher nicht die Anzahl der elektrisch betriebenen Fahrzeuge, sondern die Menge gleichzei tiger Ladevorgänge betrachtet. Da auch die Zeit zum Laden eines Batteriespeichers eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs eine große Rolle spielt, können nur ausreichend leistungsfähige Schnell-Ladestationen die Akzeptanz für die neue Mobilität erhöhen und letztendlich ermöglichen. Im Hinblick auf die Netzstabilität wird jedoch befürch tet, dass das Niederspannungsnetz nicht für große Mengen an elektrisch betriebenen Fahrzeugen und gleichzeitige Ladevorgänge ausgelegt ist. Schon bei einer Quote von 30 % von elektrisch betriebenen Fahrzeugen kann es zu flächendeckenden Stromaus fällen kommen. Um dies zu vermeiden und höhere Quoten von elektrisch betriebenen Fahrzeugen zu ermöglichen, sind daher große Investitionen in den Netzausbau, d.h. die Energieübertragungsstruktur, erforderlich.

Da elektrisch betriebene Fahrzeuge für das Transport- und Beförderungswesen als un geeignet betrachtet werden, spielt der Wasserstoff als Energieträger und Mobilitäts- treibstoff eine große Rolle, da dieser durch herkömmliche Betankungsvorgänge in ent sprechende Druckspeicher von mit Wasserstoff betriebenen Fahrzeugen betankt wer den kann. Hierzu werden derzeit vereinzelt Brennstoffzellen-F ahrzeuge (H2-F ahr zeuge) auf den Markt gebracht. Die Verbreitung dieser emissionsfreien Fahrzeuge hängt stark von der Anzahl der zugänglichen Wasserstofftankstellen ab, die derzeit noch gering ist. So ist geplant, in Deutschland die Anzahl der Wasserstofftankstellen auf 400 im Jahr 2023 auszubauen.

Zur Erzeugung von Strom werden vermehrt Photovoltaikanlangen und Windkraftan lagen eingesetzt. Da Photovoltaikanlagen jedoch nur bei Lichteinstrahlung und Wind kraftanlagen bei Windstrom produzieren, fallen die Zeiträume der Stromproduktion und der Stromnutzung nicht immer zusammen. Insbesondere bei zunehmender Anzahl an Kleinanlagen, wie sie z.B. auf Dächern von Wohngebäuden eingesetzt werden, ist es daher sinnvoll, die gewonnene Energie in Batterien zu speichern. Eine Alternative ist die Erzeugung von Wasserstoff durch elektrolytische Spaltung von Wasser und eine Speicherung des Wasserstoffs. Dieser kann dann bei Bedarf in einer Brennstoffzelle, z.B. dem erwähnten Brennstoffzellen-F ahrzeug, zur Stromerzeugung genutzt werden.

Aus der DE 10 2016 208 889 Al ist beispielsweise eine Anlage zur Bereitstellung von Wasserstoff mit einer Vorrichtung zur Herstellung von Wasserstoff durch elektroche mische Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff bekannt. Diese Anlage dient zur Bereitstellung von im Privatbereich erzeugten und verbrauchten Wasserstoff, der insbesondere zur Betankung eines mit Wasserstoff betriebenen Fahrzeugs oder in einer Brennstoffzelle zur Stromerzeugung eingesetzt werden kann. Es wird vorge schlagen, den für die elektrochemische Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sau erstoff benötigten Strom durch eine Anlage zur Stromerzeugung, z.B. eine Photovol taikanlage, zu produzieren. Alternativ kann die elektrische Energie zum Betrieb der Anlage aus einem öffentlichen Stromnetz entnommen werden, so dass auch nachts oder in trüben Winterwochen die Herstellung von Wasserstoff ermöglicht ist.

Eine derartige für den Privatbereich ausgelegte Anlage zum Bereitstellen von Wasser stoff kann jedoch nicht ausreichend energieautark betriebene werden, was sowohl aus ökologischer als auch aus ökonomischer Sicht wünschenswert wäre. Insbesondere be steht das Problem, dass bei einer Vielzahl derartiger Anlagen, signifikante Strommen gen über das öffentliche Stromnetz transportiert werden müssen, was die derzeit exis tierende Netzinfrastruktur an den Rand der Belastbarkeit bringen kann. Es besteht daher das Bedürfnis, eine Anlage zur Bereitstellung von Energieträgern für Fahrzeuge anzugeben, welche im Grundsatz energieautark ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Anlage gemäß den Merkmalen des Patentan spruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentan sprüchen.

Es wird eine Anlage zur autarken Bereitstellung von Energieträgern für Kraftfahrzeuge vorgeschlagen. Diese Anlage stellt eine sog. Sektorenanlage dar. Energieträger für Kraftfahrzeuge im Sinne der vorliegenden Beschreibung sind Strom für elektrisch be triebene Fahrzeuge sowie mit Wasserstoff betriebene Fahrzeuge. Unter elektrisch be triebenen Fahrzeugen sind all solche Fahrzeuge zu verstehen, welche zumindest einen Elektromotor als Antriebsquelle umfassen. Hierunter fallen rein Batterie-elektrisch be triebene Fahrzeuge, Hybrid-elektrisch betriebene Fahrzeuge, welche neben einem Elektromotor auch einen Verbrennungsmotor als Antriebsquelle umfassen. Auch der Begriff der Kraftfahrzeuge ist weit zu verstehen. Hierunter fallen Personenkraftfahr zeuge, Lastkraftfahrzeuge, zweispurige Fahrzeuge, einspurige Fahrzeuge (Motorräder, Roller) sowie Luftfahrzeuge.

Die Anlage umfasst eine Stromerzeugungsvorrichtung zur Erzeugung von Strom. Die Stromerzeugungsvorrichtung umfasst eine Kombination aus einer oder mehreren Windkraftanlage(n) einer oder mehreren Photovoltaikanlage(n). Die Stromerzeu gungsvorrichtung kann optional auch weitere regenerative Energiequellen, wie z.B. Laufwasseranlagen und dergleichen, umfassen. Die Anlage umfasst ferner eine Vor richtung zur Erzeugung von Wasserstoff durch elektrochemische Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Ferner ist zumindest eine Gasentnahmestelle zur Ent nahme von Wasserstoff durch ein mit Wasserstoff betriebenes Kraftfahrzeug vorgese hen. Unter einem mit Wasserstoff betriebenen Kraftfahrzeug werden sowohl Perso nenkraftfahrzeuge als auch Lastkraftfahrzeuge, die entweder zur Personenbeförderung oder zum Transport von Lasten dienen, verstanden. Schließlich umfasst die Anlage eine Steuerungseinheit zur Steuerung der Komponenten der Anlage. Ferner ist zumin dest eine Stromentnahmestelle zur Entnahme von elektrischer Energie für eine Batterie eines elektrisch oder Hybrid-elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs vorgesehen. Die Anlage umfasst weiter einen wieder aufladbaren Energiespeicher, in dem von der Stromerzeugungsvorrichtung erzeugter und nicht verbrauchter Strom für eine spätere Entnahme gespeichert wird. Die Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff und die zumindest eine Stromentnahmestelle werden von der Stromerzeugungsvorrichtung und/oder dem wieder aufladbaren Energiespeicher und/oder aus einem öffentlichen Stromnetz mit Energie versorgt. Die Stromerzeugungsvorrichtung, die Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff und der wiederaufladbare Energiespeicher sind am Ort der zumindest einen Gasentnahmestelle und der zumindest einen Stromentnahmestelle angeordnet.

Die vorgeschlagene Anlage zur Bereitstellung von Energieträgern für Kraftfahrzeuge ist autark, da die für eine E-/H2-Mobilität erforderlichen Komponenten der Energieer zeugung, der Energiespeicherung sowie der Abgabestellen an einem Ort räumlich kon zentriert angeordnet sind. Durch die Kombination der an sich bekannten Technologien zur Erzeugung von Strom, zur Erzeugung von Wasserstoff, zur Speicherung von ak tuell nicht verbrauchtem Strom sowie der Entnahmestellen für Strom und Wasserstoff ist es möglich, die Anlage nicht nur in höchstem Maße autark zu betreiben, sondern mit der derzeitigen Netzinfrastruktur zur Verteilung von Strom ohne Änderungen aus zukommen. Eine Erweiterung oder ein Ausbau der Netzinfrastruktur braucht auch dann nicht vorgenommen werden, wenn die Quote an elektrisch und/oder mit Wasser stoff betriebenen Fahrzeugen die bislang als kritisch erachteten Schwelle von 30 % oder mehr übersteigt.

Dadurch, dass der für das Laden von Batteriespeichem elektrisch betriebener Fahr zeuge am Ort der Stromabgabe erzeugt wird, ebenso wie der für die Erzeugung von Wasserstoff benötigte Strom, ist es nicht erforderlich, dafür erforderliche Strommen gen über das öffentliche Leitungsnetz zu transportieren. Eine gegebenenfalls über schüssige Stromproduktion wird für den späteren Verbrauch in dem wieder aufladbaren Energiespeicher zwischengespeichert. Ein Strombezug aus oder eine Stromabgabe in das öffentliche Stromnetz ist daher nur in Ausnahmefällen, z.B. bei extremen Wetterbedingungen und/oder Zeiten erhöhter Nachfrage nach Strom, erfor derlich.

Die Kombination der für die Erzeugung und Abnahme von Wasserstoff erforderlichen Komponenten mit den für die Erzeugung, Speicherung und Abnahme von Strom er forderlichen Komponenten an einem Ort ermöglicht es, in Zeiten, zu denen mit der Stromerzeugungsvorrichtung Strom erzeugt wird, welcher an der zumindest einen Stromentnahmestelle zur Entnahme von elektrischer Energie gegenwärtig nicht ent nommen wird, wahlweise in dem wiederaufladbaren Energiespeicher und/oder zur Er zeugung von Wasserstoff durch elektrochemische Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu verwenden.

Die Bereitstellung einer Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff am Ort der Stromerzeugungsvorrichtung und des wiederaufladbaren Energiespeichers ermöglicht es, den Energiespeicher wesentlich kleiner zu dimensionieren im Vergleich zu einer Situation, in der die Komponenten zur Erzeugung und Abnahme von Wasserstoff nicht vorgesehen sind. Insbesondere ist es durch eine derartige Kombination von an sich bekannten Technologien möglich, Lastspitzen bei der Produktion von Strom sinnvoll zu nutzen, ohne damit das öffentliche Netz zu belasten und den Strom ggf. zu ungüns tigen Bedingungen an andere Abnehmer, ggf. sogar gegen Bezahlung, abgeben zu müssen.

Durch die Verbindung der einzelnen technischen Einheiten (Komponenten zur Erzeu gung und Abnahme von Wasserstoff, Komponenten zur Erzeugung und Abnahme von Strom sowie die Komponenten zur Speicherung von Strom) zu einem großen Verbund, ergibt sich ein Sektorenverbund, der durch Autarkie negative Effekte der E-/H ₂ -M0- bilität neutralisiert. Durch die vorgeschlagene Anlage werden die Sektoren der Ver sorgung, der Netzstabilität, der E-Mobilität, der EE-Mobilität und der Speicherung überschüssiger Energie kombiniert. Hierdurch geben sich vielfältige synergetische Ef fekte, welche ohne den vorgeschlagenen Verbund der Anlage nicht möglich sind.

Der Energiespeicher kann bei prognostizierten niedrigen Wind- und Sonnenaufkom men mit Energievolumen aus dem Handel im Regelmarkt und Intradaymarkt zum Null-Tarif beladen werden. Die Steuerungseinheit, gesteuert über einen Leitstand (mit 24/7 Betrieb), ermöglicht einen Ausgleich des unstetigen Angebots von Wind- und Sonnenstrom und dadurch eine Entlastung des öffentlichen Stromnetzes.

Der Energiespeicher besteht aus einer Anzahl an Energiespeichereinheiten, z.B. bei einer Leistung von 10MW aus 50 Einheiten je 200KW. Jede einzelne Energiespeicher einheit kann unabhängig vom gesamten System geladen und entladen werden. Zu die sem Zweck ist jede Energiespeichereinheit steuerbar. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass der Energiespeicher zeitgleich von den Stromerzeugungsanlagen geladen und über die Verbraucher (Stromentnahmestellen und/oder Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff) entladen werden kann. Die Steuerungseinheit, die auch als Manage mentsystem bezeichnet wird, ermöglicht auch beim Ladeprozess von Fahrzeugen und der Herstellung von Wasserstoff die zeitgleiche Stromzuführung über den Energie speicher sowie die Stromerzeugungsvorrichtung.

Des Weiteren ermöglicht die vorgeschlagene Anlage parallel zu dem oben beschrieben Prozess den Handel im Intradaymarkt, um bei Zeiten von negativen Preisen Energie einzukaufen, diese zu speichern oder zu verbrauchen. Auch der Einsatz im Regelmarkt wird dadurch parallel ermöglicht.

Die Anlage ist ferner Smart-Grid fähig. Hierzu verfügt die Steuerungseinheit über die Möglichkeit, über eine Datenschnittstelle (z.B. einer Schnittstelle zwischen Umspann werk-Netzanschluss der Steuerungseinheit) mit externen Dienstleistern, insbesondere mit Energieversorgem und Netzbetreibem, sowie mit Wetterdiensten zur Vorhersage der Leistung der Anlagen zur Stromerzeugung zu kommunizieren. Die Anlage ist dazu ausgebildet, Regelenergie (Primär- und Sekundärreserve) an einen Netzbetreiber anzubieten. Mit dieser allgemein als„Smart Grid“ bezeichneten Funkti onalität kann auf intelligente Weise das (öffentliche) Stromnetz effektiv entlastet wer den. So kann beispielsweise an einem sonnigen Tag aufgrund der sehr hohen Netzein speisung von bestehenden Photovoltaikanlagen bei gleichzeitig niedrigem Stromver brauch ein Überangebot im lokalen/überregionalen Stromnetz vorhanden sein, das der Netzbetreiber nicht effizient ausgl eichen kann. In diesem Fall kann der Energiespei cher, wenn er einen niedrigen Ladezustand aufweist, mit Strom aus dem öffentlichen Stromnetz aufgeladen werden. Das öffentliche Stromnetz wird dadurch effektiv ent lastet.

Aufgrund des für die beschriebenen Komponenten erforderlichen Flächenverbrauchs der Anlage ist eine Realisierung im urbanen Raum mit Schwierigkeiten verbunden. Um auch in urbanen Gebieten, z.B. Städte, Abnehmer mit Wasserstoff und elektrischer Energie versorgen zu können, ohne auf das öffentliche Stromnetz zurückgreifen zu müssen, können sog. autarke Ladestellen im urbanen Raum, z.B. an existierenden Tankstellen, Parkplätzen von Firmen, Geschäften oder öffentlichem Nahverkehr (Park-and-Ride), vorgesehen werden. An den autarken Ladestellen sind ein oder meh rere Ladestationen für elektrisch betriebene Fahrzeuge und/oder ein oder mehrere Gasentnahmestellen für mit Wasserstoff betriebene Fahrzeuge angeordnet.

Der Strom für die Ladestationen wird aus einem oder mehreren wiederaufladbaren, transportablen Energiespeichern bereitgestellt, die am Ort der Anlage durch die An lage geladen werden. Die transportablen Energiespeicher können z.B. in Form eines ISO-Containers (auch Seefracht-Container genannt) realisiert sein. Solche ISO- Container können, nachdem der darin enthaltene Energiespeicher am Ort der Anlage durch die Anlage geladen wurde, auf einfache Weise mittels Lastkraftwagen von der Anlage zu der autarken Ladestelle transportiert und temporär gelagert werden. Auf grund der Größe des Energiespeichers kann eine Vielzahl von Ladevorgängen von elektrisch betriebenen Fahrzeugen durch geführt werden. Unterschreitet der transpor table Energiespeicher einen vorgegebenen Ladezustand, so wird (automatisch unter Zuhilfenahme von Kommunikationsmitteln und einer Kommunikation mit der Steuer einheit) ein neuer transportabler Energiespeicher angefordert, der dann durch den lee ren oder annähernd leeren transportablen Energiespeicher ausgetauscht wird (Wech selsystem).

Der am Ort der Anlage durch die Anlage erzeugte Wasserstoff für die Gasentnahme stellen kann in komprimierter Form in transportablen Speicherbehältnissen gespei chert und mittels Lastkraftwagen zu der autarken Ladestelle transportiert werden, um dort aus den transportablen Speicherbehältnissen die eine oder mehreren Gasentnah mestellen mit Wasserstoff zu versorgen. Unterschreitet der Füllstand in dem transpor tablen Speicherbehältnis einen vorgegebenen Wert, so wird (automatisch unter Zuhil fenahme von Kommunikationsmitteln und einer Kommunikation mit der Steuerein heit) ein neues transportables Speicherbehältnis angefordert, das dann durch das leere oder annähernd leere transportable Speicherbehältnis ausgetauscht wird (Wechselsys tem).

Dieses System ermöglicht die kostengünstige Bereitstellung von Strom und Wasser stoff für Mobilitätsdienste auch im urbanen Raum, wobei insbesondere keine Ände rung an bestehender Infrastruktur, insbesondere des öffentlichen Stromnetzes, vorge nommen zu werden braucht.

Eine zweckmäßige Ausgestaltung sieht vor, dass die Stromerzeugungsvorrichtung, die Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff und der wiederaufladbare Energiespei cher unter Berücksichtigung einer erwarteten Gasentnahme und/oder einer erwarteten Stromentnahme derart dimensioniert sind, dass ein Energie-autarker Betrieb der An lage an 80 % der Jahrestage ermöglicht ist. Die Dimensionierung der verschiedenen Komponenten erfolgt vorzugsweise derart, dass ein Energie-autarker Betrieb der An lage nicht mit 100 % möglich ist, da dies zu einer starken Überdimensionierung der jeweiligen Komponenten führen würde. Da aus gesetzlichen Gründen ohnehin eine Anbindung an das öffentliche Stromnetz erforderlich ist, kann an einer bestimmten Anzahl von Jahrestagen auch ein nicht-energie-autarker Betrieb der Anlage akzeptiert werden. Die Dimensionierung der Komponenten sowie der Grad der erwünschten Energieautarkie in Bezug auf eine Anzahl von Tagen im Jahr kann durch Modellrech nungen, Versuche und dergleichen bestimmt werden. Insbesondere können dabei auch ökonomische Überlegungen einbezogen werden.

Es ist weiterhin zweckmäßig, dass die Anlage eine Mehrzahl an Gasentnahmestellen zur gleichzeitigen Entnahme von Wasserstoff durch mit Wasserstoff betriebene Kraft fahrzeuge aufweist. Hierdurch kann die Anlage, ähnlich den derzeit bekannten Ver sorgungsanlagen (Tankstellen) aufgebaut werden, so dass eine Vielzahl von Kraftfahr zeugen und/oder Lastkraftwagen gleichzeitig mit Wasserstoff betankt werden können. Hierdurch wird die für einen Betankungsvorgang einschließlich An- und Abfahrt so wie gegebenenfalls erforderliche Wartezeit benötigte Zeit auf ein Minimum reduziert. Die genaue Anzahl der Mehrzahl an Gasentnahmestellen kann dabei flexibel an die Anzahl von mit Wasserstoff betriebenen Kraftfahrzeugen angepasst werden. Insbeson dere kann die Anlage derart konzipiert werden, dass eine Erweiterung der Anzahl der Gasentnahmestellen mit zunehmender Anzahl von auf öffentlichen Straßen verkehren den, mit Wasserstoff betriebenen Fahrzeugen erfolgt.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass diese eine Mehrzahl an Stromentnahme stellen zur gleichzeitigen Entnahme von Strom durch elektrisch oder Hybrid-elektrisch betriebene Kraftfahrzeuge aufweist. Die Stromentnahmestellen können insbesondere als sog. Schnelllader ausgebildet sein, welche das Laden eines Batteriespeichers des zu ladenden Fahrzeugs in kurzer Zeit mit hoher Leistung ermöglichen. Die Stroment nahmestellen können abhängig von der von den Kraftfahrzeugen benötigten Ladetech nologie wahlweise auf Wechselstrom (AC) oder Gleichstrom (DC) basieren. Es ist möglich, dass die Stromentnahmestellen sowohl ein Laden mit Gleichstrom als auch mit Wechselstrom ermöglichen. Gegebenenfalls können auch manche der Stroment nahmestellen lediglich auf Gleichstrom oder manche andere auf Wechselstrom basie rende Ladetechnologie aufweisen. Es ist zweckmäßig, wenn die Anlage als Autohof oder Versorgungsanlage (ähnlich einer herkömmlichen Tankstelle) für eine Vielzahl von Kraftfahrzeugen ausgebildet ist. Die Anzahl der Vielzahl von Kraftfahrzeugen richtet sich dabei nach der Leistungs fähigkeit der einzelnen Komponenten der Anlage, insbesondere der durch die Strom erzeugung svorrichtung bereitstellbaren Leistung, der von der Vorrichtung zur Erzeu gung von Wasserstoff in einem bestimmten Zeitraum erzeugbaren Wasserstoffmenge sowie des Energiespeichers.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Verschaltung des wiederaufladbaren Energiespeichers, der Stromerzeugungsvorrichtung und der zumindest einen Stromentnahmestelle derart ist, dass kein Stromfluss über das öffentliche Stromnetz erfolgt. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass der Stromfluss nahezu ausschließlich über das private Stromnetz, welches zu der vorgeschlagenen Anlage zur autarken Be reitstellung von Energieträgern gehört, fließt.

Die Anzahl der Stromentnahmestellen beträgt gemäß einer zweckmäßigen Ausgestal tung zwischen 10 und 20, wobei in diesem Fall die Stromerzeugungsvorrichtung eine installierte Leistung zwischen 5 MW und 15 MW und der wiederaufladbare Energie speicher eine 6h-Kapazität von 60 MWh aufweist. Es ist zu bemerken, dass die instal lierte Leistung der Stromerzeugungsvorrichtung sich aufteilt auf ggf. eine oder meh rere Windkraftanlagen und eine oder mehrere Photovoltaikanlagen. Das Verhältnis der installierten Leistung zwischen Windkraftanlage und Photovoltaikanlage beträgt vor zugsweise zwischen 2 zu 1 und 1 zu 2. Es hat sich herausgestellt, dass bei einer Di mensionierung dieser Größenordnung, ein weitestgehend Energie-autarker Betrieb der Anlage möglich ist.

Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung sieht vor, dass in einer derartigen Anlage die Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff eine Leistung von 2 MW aufweist.

Soll die Anzahl der Stromentnahmestellen wesentlich größer oder wesentlich kleiner sein, so können die genannten Größenordnungen entsprechend eines linearen Faktors, um den die Anzahl der Stromentnahmestellen größer oder kleiner ist, angepasst wer den.

Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung sieht vor, dass die Vorrichtung zur Erzeu gung von Wasserstoff einen Kompressor und zumindest einen Druckgasspeicher um fasst. Insbesondere weist die Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff eine Leis tung von 1,5 MW bis 2,5 MW auf und ist dazu ausgelegt, etwa 1000 kg Wasserstoff pro Tag zu gewinnen.

Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung sieht vor, dass der Mehrzahl an Stroment nahmestellen eine entsprechende Mehrzahl an Standflächen für die Kraftfahrzeuge zu geordnet ist, wobei die Mehrzahl der Standflächen von der Photovoltaikanlage über dacht ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand eines Aus führungsbeispiels in der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Anlage zur autarken Bereitstellung von Energieträgern für E-/H2 -Fahrzeuge; und

Fig. 2 eine Skizze, die die Anordnung der in Fig. 1 dargestellten Komponenten bei spielhaft verdeutlicht.

In den Figuren sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Dar stellungen sind lediglich beispielhaft und insbesondere nicht maßstabsgerecht.

Fig. 1 zeigt eine schematische Anlage 1 zur autarken Bereitstellung von Strom und Wasserstoff als Energieträger für Kraftfahrzeuge. Die Anlage 1 umfasst eine Stromer zeugungsvorrichtung 2. Lediglich beispielhaft umfasst die Stromversorgungsvorrich tung 2 eine oder mehrere Windkraftanlagen 3 und eine oder mehrere Photovoltaikanlagen 4. Die Stromversorgungsvorrichtung kann darüber hinaus - ab hängig vom Standort der Anlage 1 - auch andere regenerative Energieerzeuger umfas sen.

Die Anlage 1 umfasst ferner einen wieder aufladbaren Energiespeicher 5. Der auflad bare Energiespeicher 5 umfasst beispielsweise eine Vielzahl an Lithium-Ionen-Akku- mulatoren. Alternativ kann es sich bei der Batterie um eine ZnYTH-Batterie handeln. Die Vielzahl an unterschiedlichen Akkumulatoren kann in geeigneter Weise parallel und/oder seriell verschaltet sein. Die Akkumulatoren können als ein oder mehrere Mo- dule vorliegen. Die Größe des aufladbaren Energiespeichers 5 hängt von der Erzeu gungsleistung der Stromerzeugungsvorrichtung 2 ab. Ausgehend von einer Erzeu gungsleistung zwischen 10 MW und 15 MW der Stromerzeugungsvorrichtung beträgt die 6h-Kapazität vorzugsweise zwischen 60 MWh und 600 MWh.

Beim Vorsehen der Anlage in windreichen Regionen werden vorzugsweise eine oder mehrere Windkraftanlagen 3 mit einer Leistung von z.B. jeweils 5 MW installiert. In sonnenreichen Gegenden beträgt die installierte Leistung einer Photovoltaikanlagen 4 zwischen 5 MW und 10 MW. Die Dimensionierung der Windkraftanlagen 3 und der Photovoltaikanlagen 3 kann insbesondere auch von der erwarteten oder tatsächlichen Nutzung der Anlage zur Bereitstellung von alternativen Energieträgern für Kraftfahr zeuge abhängen. Als alternative Energieträger werden in dieser Beschreibung Strom und Wasserstoff verstanden.

Die von der Stromerzeugungsvorrichtung 2 erzeugte Energie wird einer Steuerungs einheit 6, die einen oder mehrere Umrichter 7 (DC/DC und/oder DC/AC und/oder AC/AC und/oder AC/DC) sowie eine Recheneinheit 8 umfasst zugeführt. Mittels der Recheneinheit 8 und des oder der Umrichter 7 erfolgt ein Zwischenspeichern des er zeugten Stroms in dem wieder aufladbaren Energiespeicher 5 oder eine unmittelbare Zufuhr zu einem der nachfolgend beschriebenen Verbraucher. Der wieder aufladbare Energiespeicher 5 und die Steuerungseinheit 6 sind vorzugs weise in einer gemeinsamen Umhausung (z.B. Gebäude oder Gebäudeteil) 12 ange ordnet. In der Umhausung 12 kann zudem ein Niederspannungs-Transformator 9 an geordnet sein. Außerhalb der Umhausung 12 und ggf. auch außerhalb eines räumlich abgegrenzten Bereichs 30, in dem die Komponenten der hier beschriebenen Anlage 1 angeordnet sind, ist beispielsweise ein weiterer Mittel spannungs-Transformator 10 vorgesehen, welcher die Anlage 1 an ein öffentliches Stromnetz 11 anschließt. Obwohl der Anschluss an das öffentliche Stromnetz 11 aus Energie- Autarkie-Gründen auf grund der Dimensionierung der Komponenten nicht zwingend notwendig wäre, ist die ser aus gesetzlichen Gründen vorgeschrieben.

Als Verbraucher des von der Stromerzeugungsvorrichtung 2 und/oder von dem wieder aufladbaren Energiespeicher 5 bereitgestellten Stroms sind eine Vorrichtung 13 zur Erzeugung von Wasserstoff sowie eine Vielzahl an Stromentnahmestellen 21 zur Ent nahme von elektrischer Energie für eine Batterie eines elektrisch betriebenen Fahr zeugs oder Hybrid-elektrischen Fahrzeugs vorgesehen.

Die Vorrichtung 13 zur Erzeugung von Wasserstoff umfasst in bekannter Weise einen Elektrolyseur 14 zur elektrochemischen Spaltung von Wasser in Sauerstoff und Was serstoff. Der von dem Elektrolyseur 14 produzierte Wasserstoff kann über eine Lei tung 16 in einen Druckgasspeicher 15 zur temporären oder längerfristigen Zwischen speicherung gefördert werden. Hierzu ggf. erforderliche Pumpen und dergleichen sind der Einfachheit halber nicht dargestellt. Zudem ist eine Anzahl an Gasentnahmestellen 20-1, ... , 20-n (Zapfsäulen) vorgesehen, welche Wasserstoff über ein Umschaltventil 17 wahlweise aus dem Druckgasspeicher 15 oder direkt von dem Elektrolyseur 14 zu geführt bekommen. Entsprechende Leitungen sind mit dem Bezugszeichen 18, 19 ge kennzeichnet.

Die Stromentnahmestellen, die auch als Ladesäulen bezeichnet werden, sind mit dem Bezugszeichen 21-1, ... , 21-m bezeichnet. Die Stromentnahmestellen 21-1, ... , 21-m sind über eine oder mehrere Leistungseinheiten 22 mit der Steuerungseinheit 6 verbunden. Über die eine oder mehrere Leistungseinheiten 22 kann einer jeweiligen Stromentnahmestelle 21-1, .. ,21-m eine von einem zu ladenden Fahrzeug geforderte Leistung zur Verfügung gestellt werden. Sind jeweilige Leistungseinheiten beispiels weise für eine Leistung von 100 KW ausgelegt, kann die Batterie des zu ladenden Fahrzeugs jedoch mit 400 KW geladen werden, so wird der Stromentnahmestelle 21- x (wobei x für die Stromentnahmestelle steht, mit der das zu ladende Fahrzeug ver bunden ist) von vier Leistungseinheiten 22 mit Strom versorgt.

Die Anzahl m der Stromentnahmestellen und die Anzahl n der Gasentnahmestellen kann unterschiedlich oder gleich sein.

Die entsprechenden Technologien zur Erzeugung und Bereitstellung von Wasserstoff sowie zur Bereitstellung von Strom für das Laden eines elektrisch betriebenen Fahr zeugs sind grundsätzlich bekannt und im Detail auch nicht Gegenstand der vorliegen den Anmeldung. Auf eine eingehende detaillierte Beschreibung wird daher an dieser Stelle verzichtet.

Wie aus der vorangegangenen Beschreibung deutlich wurde, sind die Stromerzeu gungsvorrichtung 2, die Vorrichtung 13 zur Erzeugung von Wasserstoff und der wie deraufladbare Energiespeicher 5 unter Berücksichtigung einer erwarteten oder tatsäch lichen Gasentnahme und/oder einer erwarteten und tatsächlichen Stromentnahme der art dimensioniert, dass eine im Wesentlichen Energie-autarke Betriebsanlage ermög licht ist. Hierunter wird verstanden, dass eine bilanzielle Energie- Autarkie an etwa 80% der Jahrestage ermöglicht ist. Diese Energie- Autarkie wird durch die entspre chende Dimensionierung der Komponenten realisiert.

Dadurch, dass der Energie-autarke Betrieb der Anlage 1 durch die räumliche Konzent ration der genannten Komponenten in dem räumlich abgegrenzten Bereich 30, der bei spielsweise einen Autohof oder eine Versorgungsanlage für eine Vielzahl von Kraft fahrzeugen darstellt, vorgesehen ist, ist ein Energieaustausch (d.h. ein Energiebezug oder eine Energielieferung) mit dem öffentlichen Stromnetz auf ein Minimum reduziert, so dass eine Anpassung der gegenwärtigen Netzinfrastruktur des öffentli chen Stromnetzes nicht oder nur im geringen Umfange erforderlich ist.

Der Flächenverbrauch für die wie in Fig. 1 beschriebene Anlage (d.h. für die Wind- kraftanlage(n) 3, den Energiespeicher 5, die Vorrichtung 13 zur Erzeugung von Was serstoff, die Stromentnahmestellen 21 (Ladestationen) und die Parkflächen) beträgt zwischen 5 und 6 Hektar, wobei für die Photovoltaikanlage(n) 4 pro MW Erzeugungs leistung zusätzlich etwa 2 Hektar veranschlagt werden. Dadurch ist es möglich, eine Anzahl zwischen 10 und 20 Stromentnahmestellen 21-1, ..., 21-m bereitzustellen. In diesem Fall sollte die installierte Leistung der Stromerzeugungsvorrichtung 2 zwi schen 5 MW und 15 MW betragen, wobei die Aufteilung zwischen Windkraftan- lage(n) 3 und Photovoltaikanlage(n) 4 in einem Verhältnis zwischen 2 zu 1 und 1 zu 2, je nach Standort, gewählt werden sollte. Bei dieser Dimensionierung ist es ausrei chend, wenn der wiederaufladbare Energiespeicher eine 6h-Kapazität von 60 MWh aufweist. Die Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff weist zweckmäßigerweise eine Leistung von 2 MW auf. Hierdurch ist die Vorrichtung 13 zur Erzeugung von Wasserstoff in der Lage, ca. 1.000 kg Wasserstoff pro Tag zu gewinnen.

Fig. 2 zeigt eine Skizze, welche die Anordnung der in Fig. 1 beschriebenen Kompo nenten in dem mit 30 bezeichneten räumlich abgegrenzten Bereich zeigt. Die Anlage 1 bzw. der Bereich 30 ist z.B. ein Autohof. Mit den Bezugszeichen 24, 25, 26 sind Zu- und Abfahrten zu der Anlage 1 beschrieben. Außerhalb des von den zu versorgenden Fahrzeugen abgegrenzten Bereichs ist der wieder aufladbare Energiespeicher 5 ange ordnet. Am Rande des von den Fahrzeugen befahrbaren Bereichs können eine oder mehrere Windkraftanlagen 3 vorgesehen sein.

In der in Fig. 2 dargestellten Skizze sind beispielhaft 20 Stromentnahmestellen 21-1, ... , 21-20 (d.h. m=20) vorgesehen, wobei jeder Stromentnahmestelle eine Standfläche (Stellplatz) 23-1, ... , 23-20 für ein zu ladendes Fahrzeug zugeordnet ist. Die hierdurch für die Ladestation insgesamt benötigte Fläche kann in vorteilhafter Weise von einem Dach geschützt sein, wobei die Photovoltaikanlage 4 auf dem Dach installiert ist. Benachbart, aber mit ausreichendem Abstand zu der Ladestation, ist die Vorrichtung 13 zur Erzeugung von Wasserstoff angeordnet. Der Elektrolyseur 14 und der oder die Druckgasspeicher 15 sind beispielsweise am Rand des räumlich abgegrenzten Be reichs 30 vorgesehen. In räumlicher Nähe hierzu sind beispielhaft fünf Gasentnahme stellen (Zapfsäulen) 20-1, ..., 20-5 (d.h. n=5) in zwei Reihen vorgesehen, die die Be tankung von Fahrzeugen (Personenkraftwagen und Lastkraftwagen) in vier Spuren er möglichen.

Die räumliche Abgrenzung 27 zwischen den mit Wasserstoff zu betankenden Fahrzeu gen und den mit Strom zu versorgenden Fahrzeugen ist optional, kann aber auch aus Sicherheitsgründen vorgesehen sein.

Die Anlage 1 kann durch einen Kiosk, einen Supermarkt, ein (Schnell-)Restaurant und dergleichen ergänzt sein. Insbesondere bietet es sich an, die vorgeschlagene Anlage entlang von Schnellverkehrsstrecken, wie z.B. Autobahnen oder Bundesstraßen, anzu ordnen, so dass insbesondere gesetzliche Vorgaben im Hinblick auf Abstandsregelun gen bei Windkraftanlagen ohne Probleme angehalten werden können.

Der Betrieb der Anlage 1 ist wie folgt: Der zur Erzeugung des Wasserstoffs in der Vorrichtung 13 zur Herstellung von Wasserstoff und für die Stromentnahmestellen 21 benötigte Strom wird in der Stromerzeugungsvorrichtung 2 erzeugt. Mit dem in der Stromerzeugungsvorrichtung 2 hergestellten Strom wird, wenn Verbraucher an den Entnahmestellen 20 und/oder 21 angeschlossen sind, unter Steuerung der Rechenein heit 8 der Steuerungseinheit 6 der erzeugte Strom mittels des Umrichters 7 zu den Entnahmestellen 20 und/oder 21 geführt, wobei bei der Stromentnahmestelle 21 die Leistungseinheit 22 die Stromnachfrage steuert. Hierzu erhalten die Leistungseinhei ten 22 über die Ladestation 21 ein von dem zu ladenden Fahrzeug empfangenes Signal mit der Information, welche Spannung bei der im Fahrzeug befindlichen Batterie vor liegt (z.B. 400V oder 500V). Diese Information wird berücksichtigt, ob die Fahrzeug batterie z.B. mit 175kW, 350kW oder 500kW geladen werden kann. Mehrere Leistungseinheiten 22 werden dann gegebenenfalls zur Bereitstellung einer hohen La deleistung zusammengeschaltet.

Ist der Bedarf an Strom bei der oder den Stromentnahmestellen 21 und der Bedarf an Wasserstoff bei der oder den Gasentnahmestellen 20 in Summe größer als die Strom erzeugungsvorrichtung 2 produzieren kann, wird durch die Recheneinheit 8 der wieder aufladbare Energiespeicher 5 in den Stromversorgungsprozess einbezogen, indem zu sätzlich Strom aus dem wieder aufladbaren Energiespeicher 5 entnommen und den Entnahmestellen 20 und/oder 21 zugeführt wird. Dabei wird der wieder aufladbare Energiespeicher 5 entladen. Ist der wieder aufladbare Energiespeicher 5 nicht ausrei chend mit Strom geladen, um die Versorgung der Entnahmestellen 20 und/oder 21 zu garantieren, wird Strom mittels des (Mittel spannungs-)Transformators 10 vom öffent lichen Netz 11 bezogen. Auch dieser Vorgang wird mittels der Steuerungseinheit 6 gesteuert. Ist der Bedarf an Strom bei den Stromentnahmestellen 21 und der Bedarf an Wasserstoff bei den Gasentnahmestellen 20 geringer als die Stromerzeugungsanlage 2 produziert, wird mittels der Steuerungseinheit 8 der Umrichter 7 derart betrieben, dass der wieder aufladbare Energiespeicher 5 mit überschüssigem Strom, der durch die Stromerzeugungsvorrichtung 2 produziert und nicht verbraucht werden kann, geladen werden kann.

Die Anlage 1 umfasst weitere Mittel zur Prüfung, ob ein jeweiliger Verbraucher an der oder den Gasentnahmestellen 20 und der oder den Stromentnahmestellen 21 ange schlossen ist, sowie zur Messung des Drucks an der oder den Gasentnahmestellen 20 und der Stromnachfrage an der oder den Stromentnahmestellen 21. Darüber hinaus sind in den Figuren nicht gezeigte Sensoren vorhanden, die dazu ausgebildet sind, den Druck im Druckgasspeicher 15 zu messen bzw. die Stromnachfrage in der Leistungs einheit 22 zu ermitteln.

Die Vorrichtung 13 zum Erzeugen von Wasserstoff ist neben der Produktion von Was serstoff dazu ausgebildet, den Wasserstoff zu der oder den Gasentnahmestellen 20 zu führen, wenn ein Verbraucher an einer der Gasentnahme stellen 20 angeschlossen ist. Andernfalls, wenn kein Verbraucher an einer der Gasentnahmestellen 20 angeschlos sen ist, wird der produzierte Wasserstoff in den Druckgasspeicher 15 für eine spätere Entnahme zwischengespeichert, wobei die Produktion von Wasserstoff beendet wird, sobald ein oberer Druckgrenzwert im Druckgasspeicher 15 erreicht wird. In diesem Fall kann auch eine direkte Zufuhr von Wasserstoff aus dem Druckgasspeicher 15 zu der oder den Gasentnahmestellen 20 erfolgen, wenn ein Verbraucher an einer der Gasentnahmestellen 20 angeschlossen ist. Die Produktion von Wasserstoff durch die Vorrichtung 13 wird dann vorzugsweise beendet oder unterbrochen. Ein Abschalten der Erzeugung von Wasserstoff und keine Zufuhr von Wasserstoff zu den Gasentnahmestellen 20 erfolgt dann, wenn kein Verbraucher an den Gasentnah mestellen angeschlossen ist und der Druck im Druckgasspeicher 15 dem oberen Druckgrenzwert entspricht (d.h. der Druckgasspeicher voll ist). Ein Abschalten der Zufuhr von Energie zu den Stromentnahmestellen 21 erfolgt dann, wenn kein Verbraucher an den Stromentnahmestellen 21 angeschlossen ist und die Stromnachfrage bei der Leistungseinheit 22 gegen 0 Volt fällt. Wird durch die Steue rungseinheit bzw. die Recheneinheit 8 erkannt, dass kein Verbraucher an den Entnah mestellen 20 und 21 angeschlossen ist und dass der wieder aufladbare Energiespeicher 5 keine freien Kapazitäten hat, dann wird der durch die Stromerzeugungsvorrichtung

2 produzierte Strom mittels des (Mittel spanungs-)Transformators 10 an das öffentliche Stromnetz 11 gegen eine Vergütung abgegeben (Intradaymarkt und Regelmarkt).

B ezugszei chenli ste

1 Anlage zur Bereitstellung von Energieträgern

2 Stromerzeugungsvorrichtung

3 Windkraftanlage

4 Photovoltaikanlage

5 wieder aufladbarer Energiespeicher

6 Steuerungseinheit

7 Elmrichter

8 Recheneinheit

9 Transformator

10 Transformator

11 öffentliches Stromnetz

12 Elmhausung

13 Vorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff

14 Elektrolyseur

15 Druckgasspeicher

16 Leitung

17 Elmschalteinrichtung

18 Leitung

19 Leitung

20 Gasentnahmeeinrichtung

20-1, . . . , 20-n Gasentnahmestelle

21-l,...,21-m Stromentnahmestelle

22 Leistungseinheit

23-l,...,23-m Standfläche für Kraftfahrzeug

24 Zu- und/oder Abfahrt

25 Zu- und/oder Abfahrt

26 Zu- und/oder Abfahrt

27 Abgrenzung

30 räumlich abgegrenzter Bereich