Kraft-Wärme-Mobilität-Kopplung
Fachbericht | Wörter: 510 | Aufrufe: 13301 |
Bei einem zunehmenden Anteil erneuerbarer Energien wird es
wichtiger, mehr als nur einen der Endenergieverbraucher
Elektrizität, Wärme und Mobilität zu berücksichtigen.
H2-Fahrzeuge können hierbei eine bedeutende Rolle spielen, weil
sie den Energieträger Wasserstoff in Mobilität umsetzen und so
– mit regenerativ erzeugtem Wasserstoff – eine
kohlendioxidfreie Mobilität erlauben. Dadurch werden der
elektrische Energieverbrauch und der Sektor Verkehr miteinander
verknüpft, wie dies bei den elektrischen Bahnen bereits der Fall
ist. Außerdem könnten Fahrzeugbrennstoffzellen das
Gebäudewärmemanagement unterstützen. Im Gegenzug kann mit
Hilfe von Solaranlagen und Elektrolyseuren Wasserstoff für eine
regenerative und autarke Mobilität erzeugt werden. Aus einem
„Solar Building“ würde somit „Solar Living“.
Für die Arbeit „Synergien zwischen Solargebäude und
Brennstoffzellenfahrzeug“ wurde diese Kombination per
Computersimulation untersucht.
Ein Einfamilienhaus mit sehr niedrigem Heizenergiebedarf (Passivhaus;
ca. 12 kWh/m2a) wird mit thermischer Solaranlage und Photovoltaik
bestückt. Dazu kommt ein Wasserstoffsystem mit Elektrolyseur und
Speicher. Das Fahrzeug-Brennstoffzellensystem übernimmt dann im
Stand die Kraft-Wärme-Kopplung, während das ebenfalls zur
Anlage gehörende Batteriesystem tagsüber bei abwesendem
Fahrzeug überschüssige Energie aufnimmt. Stromgeführte
Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) findet bei diesem zunächst als
Inselsystem ausgelegten Konzept fast nicht statt. Die
Brennstoffzelle lädt zumeist bei wärmegeführter KWK den
Wärmespeicher auf. Die von ihr gelieferte elektrische Energie
kann dabei durch Heizelemente genutzt werden, wesentlich
effizienter ist jedoch eine Wärmepumpe, die mit Hilfe der
Umgebungsenergie aus dem Strom – der Arbeitszahl
entsprechend – die drei- bis fünffache Wärmemenge macht.
Oberstes Gebot ist dabei Energiesparen. Im Passivhaus sollten nur etwa 1.800 kWh
an elektrischer Energie im Jahr verbraucht werden und das
Fahrzeug, das etwa 14.000 km im Jahr zurücklegt, verbraucht den
Gegenwert von zwei Litern Dieselkraftstoff auf 100 km. Mit dem
System ist es möglich, die Bedürfnisse eines
Einfamilienhaushaltes an elektrischer, thermischer und mobiler
Energie zu decken.
Abb. 3: Simulationsresultate im Jahresverlauf: Energieinhalt der Batterie (o.), des Wasserstoffspeichers (m.), insgesamt gespeicherte Energie (u.), y-Achse in Kilowattstunden, x-Achse als Zeitachse beginnend im Frühjahr
Da ab dem (meteorologisch simulierten) Monat April die
Energiebilanz positiv ausfällt, erscheint eine Inbetriebnahme
des Systems im Frühjahr sinnvoll. Das System wird dann so
ausgelegt, dass nach Ablauf eines Jahres die gespeicherte
Energiemenge nicht negativ wird; für eine praktische Auslegung
sind entweder ein Netzanschluss oder eine Überdimensionierung
nötig.
Anlagenauslegung
Passivhäuser mit sehr niedrigem Energiebedarf sind verfügbar,
ebenso Photovoltaikmodule mit hohen Wirkungsgraden und
Solarthermieanlagen mit Heizungsunterstützung. Zur
Energieversorgung mit Solarstrom reicht durchschnittlich eine
PV-Anlage mit einer Leistung von 9,2 kWp aus. Beim Einsatz
moderner PV-Module genügt für etwa 10 kWp eine Dachfläche von
50 bis 70 m2. Für die solarthermische Anlage werden 15 m² für
Vakuumkollektoren mit einem 2.000 l fassenden Warmwasserspeicher
benötigt. Auf der Wasserstoffseite wären notwendig:
Leistung der Fahrzeugbrennstoffzelle: 40 kW
Elektrolyseur: 5 kW
H2-Speicher: 2.100 kWh (= 70 kg)
Ergebnis Es ist sinnvoll, eine Fahrzeugbrennstoffzelle in einem Passiv- oder Niedrigenergiehaus mit thermischer und elektrischer solarer Energieversorgung einzusetzen. Über die Möglichkeit der vollständigen energetischen Autarkie eines Haushaltes hinaus hat sich dabei gezeigt, dass durch eine auf der Fläche eines Einfamilienhausdaches in Deutschland installierte PV-Anlage (entsprechend einer heutigen Einspeiseanlage) eine Mobilität gewährleistet werden kann, die der durchschnittlichen Jahreskilometerzahl eines Fahrzeuges entspricht. Durch die Effizienz eines Brennstoffzellenfahrzeugs und die Speicherung von Energie in Form von Wasserstoff ist dies trotz der jahreszeitlichen Schwankung der Sonneneinstrahlung machbar. In Deutschland könnten solche Anlagen bis über 40% des Bedarfs an elektrischer, thermischer und mobiler Energie decken. Eine solche Wasserstoff-Selbstversorgung kann auch schrittweise eingeführt werden.
Literatur: Blome, C., Synergien zwischen solarer Gebäudetechnik und Brennstoffzellen
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