DE102021104027A1 - Modular electrolysis system - Google Patents

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Sebastian Niehoff
Diana Duque
Natalia Reinhold
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Abstract

Bei einer Elektrolyseanlage (1), die dazu bestimmt ist, mittels elektrischer Energie aus flüssigem Wasser gasförmigen Wasserstoff zu erzeugen, und die einen Gleichrichter und / oder einen Wechselrichter aufweist, eine Wasseraufbereitungseinrichtung aufweist, die dazu bestimmt ist, bestimmte Inhaltsstoffe in dem Wasser auf einen bestimmten Höchstwert zu begrenzen und eine elektrische Leitfähigkeit des Wassers innerhalb eines vorbestimmten Wertebereichs zu begrenzen, einen Trockner aufweist, der dazu bestimmt ist, den Wasserdampfanteil in dem erzeugten Wasserstoffgas auf einen bestimmten Höchstwert zu begrenzen, sowie wahlweise einen oder mehrere Elektrolyseure (3) aufweist, die dazu bestimmt sind, aus dem Wasser Wasserstoffgas zu erzeugen, schlägt die Erfindung vor, dass die Elektrolyseanlage (1) konstruktiv darauf ausgelegt ist, eine maximale Anzahl von Elektrolyseuren (3) aufzuweisen, und dass Komponenten, welche die Elektrolyseanlage (1) zusätzlich zu den Elektrolyseuren (3) aufweist, konstruktiv auf den Betrieb der Elektrolyseanlage (1) mit der maximalen Anzahl von Elektrolyseuren (3) in der Art ausgelegt sind, dass diese Komponenten als jeweils zentrale Komponente der gesamten Elektrolyseanlage (1) ausgestaltet ist, die zum Zusammenwirken mit wahlweise unterschiedlichen Anzahlen bis hin zur maximalen Anzahl von Elektrolyseuren (3) bestimmt ist.In an electrolysis system (1), which is intended to generate gaseous hydrogen from liquid water by means of electrical energy and which has a rectifier and/or an inverter, has a water treatment device which is intended to reduce certain ingredients in the water to a to limit a specific maximum value and to limit an electrical conductivity of the water within a predetermined value range, having a dryer intended to limit the proportion of water vapor in the hydrogen gas produced to a specific maximum value, and optionally having one or more electrolysers (3), which are intended to generate hydrogen gas from the water, the invention proposes that the electrolysis system (1) is structurally designed to have a maximum number of electrolyzers (3), and that components which the electrolysis system (1) additionally to has the electrolysers (3). , constructively designed for the operation of the electrolysis system (1) with the maximum number of electrolyzers (3) in such a way that these components are designed as the central component of the entire electrolysis system (1), which can be used to interact with optionally different numbers up to is intended for the maximum number of electrolysers (3).

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrolyseanlage zur Herstellung von Wasserstoff nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an electrolysis plant for the production of hydrogen according to the preamble of claim 1.

Aus der Praxis ist eine gattungsgemäße Elektrolyseanlage bekannt, die modular aufgebaut ist und dementsprechend an einen unterschiedlichen Bedarf angepasst werden kann. Bei zunehmendem Bedarf kann eine größere Menge von Wasserstoff pro Zeiteinheit erzeugt werden, indem zusätzliche Module der bereits vorhandenen Elektrolyseanlage hinzugefügt werden und so die Leistungsfähigkeit der Elektrolyseanlage vergrößert werden kann, siehe https://www.enapter.com/de/electrolyser. Dabei stellt jedes Modul für sich genommen eine funktionsfähige Elektrolyseanlage dar, indem jedes Modul sowohl den eigentlichen Elektrolyseur enthält als auch zusätzliche Komponenten wie z.B. eine Wasseraufbereitungseinrichtung, die dafür Sorge trägt, dass zur Vermeidung von Kurzschlüssen die elektrische Leitfähigkeit des verwendeten Wassers innerhalb vorgegebener Grenzwerte liegt, sowie einen Trockner, der den Wasserdampfanteil im erzeugten Wasserstoffgas unterhalb eines vorgegebenen Höchstwerts hält.A generic electrolysis system is known from practice, which has a modular structure and can accordingly be adapted to different requirements. As demand increases, a larger amount of hydrogen can be produced per unit of time by adding additional modules to the existing electrolyser, thereby increasing the capacity of the electrolyser, see https://www.enapter.com/de/electrolyser. Each module represents a functional electrolysis system in itself, in that each module contains both the actual electrolyser and additional components such as a water treatment device that ensures that the electrical conductivity of the water used is within specified limit values to avoid short circuits, and a dryer that keeps the water vapor content in the generated hydrogen gas below a predetermined maximum level.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Elektrolyseanlage dahingehend zu verbessern, dass diese mit einem möglichst hohen energetischen Wirkungsgrad betrieben werden kann.The invention is based on the object of improving an electrolysis system of the generic type in such a way that it can be operated with the highest possible energy efficiency.

Diese Aufgabe wird durch eine Elektrolyseanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.This object is achieved by an electrolysis system with the features of claim 1. Advantageous configurations are described in the dependent claims.

Die Erfindung schlägt mit anderen Worten überraschend vor, bestimmte Komponenten der Elektrolyseanlage konstruktiv überdimensioniert auszugestalten, was einem ersten Eindruck zufolge einer energetisch möglichst günstigen Ausgestaltung der Elektrolyseanlage widerspricht. Die Erfindung geht allerdings von der Überlegung aus, dass der Wasserstoffbedarf zukünftig ansteigen wird. Um die Investitionskosten einer Elektrolyseanlage zunächst möglichst gering zu halten, indem die Leistungsfähigkeit der Elektrolyseanlage an den zunächst noch vergleichsweise geringeren Wasserstoffbedarf angepasst ist, kann die erfindungsgemäße Elektrolyseanlage zunächst mit einer vergleichsweise geringen Anzahl an Elektrolyseuren errichtet und in Betrieb genommen werden.In other words, the invention surprisingly proposes designing certain components of the electrolysis system in a structurally oversized manner, which, according to a first impression, contradicts a design of the electrolysis system that is as favorable as possible in terms of energy. However, the invention is based on the consideration that the hydrogen requirement will increase in the future. In order to initially keep the investment costs of an electrolysis system as low as possible by adapting the performance of the electrolysis system to the initially comparatively lower hydrogen requirement, the electrolysis system according to the invention can initially be set up and put into operation with a comparatively small number of electrolyzers.

Ein Anwendungsbeispiel für den Einsatz einer Findung gemessen Elektrolyseanlage kann darin bestehen, dass die Elektrolyseanlage zur Wasserstofferzeugung im Bereich einer Tankstelle betrieben wird, um zusätzlich zu fossilen Brennstoffen auch Wasserstoff für den Betrieb von Fahrzeugen bereitzustellen. Die Elektrolyseanlage angesichts der zunächst geringen Verbreitung wasserstoffbetriebener Fahrzeuge mit einer vergleichsweise geringen Leistungsfähigkeit hinsichtlich der pro Zeiteinheit erzeugbaren Wasserstoffmenge errichtet werden. Zwischen den einzelnen Betankungen der Fahrzeuge steht ausreichend Zeit bereit, um den erzeugten Wasserstoff in einem Wasserstofftank der Tankstelle zwischenzuspeichern, so dass bei der nächsten Fahrzeug-Betankung eine ausreichende Menge an Wasserstoff zur Verfügung steht. Mit zunehmender Anzahl von wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen erhöht sich die Nachfrage, so dass erfindungsgemäß weitere Elektrolyseure installiert werden können.An application example for the use of a determination measured electrolysis system can be that the electrolysis system for hydrogen production is operated in the area of a filling station in order to provide hydrogen for the operation of vehicles in addition to fossil fuels. In view of the initially low prevalence of hydrogen-powered vehicles, the electrolysis plant will be built with a comparatively low capacity in terms of the amount of hydrogen that can be generated per unit of time. Between the individual refuelings of the vehicles, there is sufficient time to temporarily store the generated hydrogen in a hydrogen tank at the filling station, so that a sufficient quantity of hydrogen is available the next time the vehicle is refueled. With an increasing number of hydrogen-powered vehicles, the demand increases, so that according to the invention more electrolyzers can be installed.

Abgesehen von den eigentlichen Elektrolyseuren sind andere Komponenten der Elektrolyseanlage so groß dimensioniert, dass sie bis zu der konstruktiv maximal vorgesehenen Leistungsfähigkeit der Elektrolyseanlage mit sämtlichen dazu vorgesehenen Elektrolyseuren zusammenwirken können. Beispielsweise ist die Wasseraufbereitungseinrichtung konstruktiv darauf ausgelegt, die gesamte Wassermenge für die maximale Anzahl von Elektrolyseuren der Elektrolyseanlage aufbereiten zu können. Auch der Trockner ist konstruktiv darauf ausgelegt, die gesamte Wasserstoff-Gasmenge, die von der maximalen Anzahl von Elektrolyseuren erzeugt werden kann, verarbeiten zu können. Das gleiche gilt für einen ggf. vorgesehenen Gleichrichter, der beispielsweise die von einer Windkraftanlage mit einer Wechselspannung bereitgestellte elektrische Energie in eine Gleichspannung umsetzt, mit welcher die Elektrolyseure betrieben werden. Insbesondere kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass sämtliche Einrichtungen der Elektrolyseanlage unmittelbar mit Gleichstrom betrieben werden, so dass beispielsweise Netzteile, wie sie für elektronische Steuerungen und andere an die öffentliche Netzspannung anzuschließende Verbraucher vorgesehen sein können, innerhalb der Elektrolyseanlage entfallen und die ansonsten damit verbundenen Umwandlungsverluste vermieden werden können.Apart from the actual electrolyzers, other components of the electrolyzers are dimensioned so large that they can interact with all the electrolyzers provided for this purpose up to the maximum design capacity of the electrolyzers. For example, the water treatment device is structurally designed to be able to treat the entire amount of water for the maximum number of electrolyzers in the electrolysis system. The dryer is also designed to be able to process the entire amount of hydrogen gas that can be generated by the maximum number of electrolysers. The same applies to a rectifier that may be provided, which, for example, converts the electrical energy provided by a wind turbine with an AC voltage into a DC voltage, with which the electrolyzers are operated. In particular, it can advantageously be provided that all devices of the electrolysis system are operated directly with direct current, so that, for example, power supply units, such as those provided for electronic controls and other consumers to be connected to the public mains voltage, are omitted within the electrolysis system and the conversion losses otherwise associated with this are avoided can become.

Der Verzicht darauf, eine Vielzahl von Wasseraufbereitungseinrichtungen, Trocknern oder Gleichrichtern zu betreiben, beispielsweise wenn jedem einzelnen Elektrolyseure derartige zusätzliche Komponenten individuell zugeordnet sind, und stattdessen diese zusätzlichen Komponenten als zentrale Komponenten auszugestalten die zum Zusammenwirken mit der maximal möglichen Anzahl von Elektrolyseuren der Elektrolyseanlage ausgelegt sind, reduziert energetische Umwandlungsverluste, die ansonsten an einer Vielzahl von Stellen entstehen würden, und ermöglicht so einen energetisch vorteilhaften Betrieb der Elektrolyseanlage. Da die Überdimensionierung der erwähnten zusätzlichen Komponenten bei einer zunächst installierten geringen Anzahl von Elektrolyseuren einen energetischen Nachteil darstellen kann, ist der vorliegende Vorschlag insofern überraschend, als er letztlich einen energetisch möglichst vorteilhaften Betrieb der Elektrolyseanlage betrifft. Die Erfindung geht allerdings von der Überlegung aus, dass der energetisch nachteilige Betrieb mit einer geringen Anzahl von Elektrolyseuren, betrachtet man die gesamte Lebensdauer der Elektrolyseanlage, nur während einer vergleichsweise kurzen Zeitspanne erfolgen wird und dass anschließend über den größeren Anteil ihrer Lebensdauer die Elektrolyseanlage mit energetisch vorteilhaft geringen Umwandlung von betrieben werden wird. Zudem tritt der energetische Nachteil anfänglich auf, wenn ohnehin die zu erwartende Nachfrage nach Wasserstoff vergleichsweise gering ist, so dass eine ausreichende Versorgung dieser Nachfrage mit Wasserstoffgas gewährleistet werden kann. Im späteren Betrieb, mit höherer Nachfrage nach Wasserstoff, wird der Output der Anlage durch den energetisch günstigeren Wirkungsgrad verbessert, so dass dann der höheren Nachfrage entsprechend die Anlage von ihrem Wirkungsgrad her leistungsfähiger wird.Refraining from operating a large number of water treatment devices, dryers or rectifiers, for example if each individual electrolyzer is assigned such additional components individually, and instead designing these additional components as central components that are designed to interact with the maximum possible number of electrolyzers in the electrolysis system , reduces energy conversion losses that would otherwise occur at a large number of points, and thus enables energetically advantageous operation of the electrolysis system. Since the Oversizing of the additional components mentioned can represent an energetic disadvantage with an initially installed small number of electrolysers, the present proposal is surprising insofar as it ultimately relates to an energetically most advantageous operation of the electrolyser. However, the invention is based on the consideration that the energetically disadvantageous operation with a small number of electrolysers, considering the entire service life of the electrolysis system, will only take place for a comparatively short period of time and that the electrolysis system will then use energy for the greater part of its service life advantageously low conversion of will be operated. In addition, the energetic disadvantage occurs initially when the expected demand for hydrogen is comparatively low anyway, so that an adequate supply of this demand with hydrogen gas can be guaranteed. In later operation, with higher demand for hydrogen, the output of the plant is improved by the energetically more favorable efficiency, so that the plant then becomes more efficient in terms of efficiency in accordance with the higher demand.

Vorteilhaft kann die Elektrolyseanlage innerhalb eines ISO-Containers angeordnet sein. Dies ermöglicht erstens eine problemlose Aufstellung der Anlage, ohne dass es eines Bauvorhabens wie für die Errichtung eines gemauerten Gebäudes oder dergleichen bedarf. Zweitens besteht so die Möglichkeit, herstellerseitig die Anlage anschlussfertig vorzubereiten und vor Auslieferung auf korrekte Funktion zu prüfen. Drittens stellen ISO-Container ein ausreichendes Raumvolumen für den Betrieb einer Elektrolyseanlage bereit und sind auf dem Weltmarkt preisgünstig erhältlich, so dass eine möglichst wirtschaftliche Ausgestaltung der Elektrolyseanlage unterstützt wird. Im Ergebnis kann eine schnelle und problemlose Inbetriebnahme der Elektrolyseanlage am Aufstellungsort ermöglicht werden.The electrolysis system can advantageously be arranged inside an ISO container. Firstly, this enables problem-free installation of the system without the need for a construction project such as the erection of a brick building or the like. Secondly, it is possible to prepare the system ready for connection by the manufacturer and to check that it is functioning correctly before delivery. Thirdly, ISO containers provide a sufficient volume of space for the operation of an electrolysis system and are available inexpensively on the world market, so that the electrolysis system can be designed as economically as possible. As a result, the electrolysis system can be started up quickly and easily at the installation site.

Insbesondere ein 40-Fuß-ISO-Container bietet die Möglichkeit, eine sehr leistungsfähige Elektrolyseanlage mit einer entsprechend großen Anzahl von Elektrolyseuren darin unterzubringen.In particular, a 40-foot ISO container offers the possibility of accommodating a very powerful electrolysis system with a correspondingly large number of electrolysers.

Um sowohl bei der erstmaligen Installation der Elektrolyseanlage als auch später bei deren Erweiterung die Montage der einzelnen Elektrolyseure problemlos und zeitsparend zu ermöglichen, können die Elektrolyseure vorteilhaft jeweils als Modul ausgestaltet sein, also beispielsweise ein eigenes Gehäuse aufweisen, und jedenfalls als Modul Befestigungsstellen aufweisen, die dazu bestimmt sind, das Modul in einem standardisierten Rahmengestell aufnehmen zu können.In order to enable the individual electrolyzers to be installed easily and quickly both when the electrolysis system is installed for the first time and later when it is expanded, the electrolyzers can advantageously each be designed as a module, i.e. for example have their own housing, and in any case as a module have fastening points which are intended to be able to accommodate the module in a standardized frame.

In der Praxis haben sich für die unterschiedlichsten Installationsanwendungen international so genannte 19-Zoll-Racks bewährt, so dass die erwähnten Module vorteilhaft zur Aufnahme in einem solchen Rack bestimmt und dementsprechend konstruktiv darauf ausgelegt sein können, indem sie die entsprechenden Befestigungsstellen aufweisen.In practice, so-called 19-inch racks have proven themselves internationally for a wide variety of installation applications, so that the modules mentioned are advantageously intended to be accommodated in such a rack and can accordingly be structurally designed for this by having the appropriate fastening points.

Zugunsten einer möglichst einfachen Handhabung kann vorteilhaft vorgesehen sein, mehrere Elektrolyseure zu einer Gruppe zusammenzufassen, so dass diese gemeinsam gehandhabt werden können. Die Zusammenstellung dieser Gruppe kann beispielsweise werkseitig erfolgen, und anschließend kann eine solche Gruppe von Elektrolyseuren als gemeinsam handhabbare Einheit nachträglich zur Erweiterung einer bereits vorhandenen Elektrolyseanlage installiert werden.In favor of the simplest possible handling, provision can advantageously be made to combine several electrolyzers into a group so that they can be handled together. This group can be put together at the factory, for example, and then such a group of electrolyzers can be subsequently installed as a jointly manageable unit to expand an existing electrolyzer.

Eine vorteilhafte Konfiguration einer solchen Gruppe von Elektrolyseuren kann darin bestehen, dass die mehreren Elektrolyseure übereinander gestapelt sind, also einen sogenannten Stack bilden, wobei wenigstens fünf Elektrolyseure übereinander angeordnet sind. Die Anordnung übereinander als Stack ermöglicht schmale Abmessungen dieser Gruppe von Elektrolyseuren, so dass beispielsweise schmale Durchgangsöffnungen problemlos passiert werden können, wenn die Elektrolyseure in einer bereits vorhandenen Elektrolyseanlage nachgerüstet werden sollen.An advantageous configuration of such a group of electrolyzers can consist in the several electrolyzers being stacked one above the other, ie forming a so-called stack, with at least five electrolyzers being arranged one above the other. The arrangement one above the other as a stack enables narrow dimensions of this group of electrolyzers, so that, for example, narrow passage openings can be passed through without any problems if the electrolyzers are to be retrofitted in an existing electrolyzer system.

Vorschlagsgemäß wird die Elektrolyseanlage, beispielsweise in dem erwähnten 40-Fuß-Container, mit der Infrastruktur der Vollauslastung ausgelegt. Die Umsetzung erfolgt modular in Klein-Elektrolyseuren, die jeweils in einem Rack-Einschubsystem untergebracht sind. Je nach Kundenwunsch kann die Elektrolyseanlage nach aktueller und sich ändernder Anforderung bestückt werden. Aber nicht nur bei nachträglich steigendem, sondern auch bei sinkendem Wasserstoffbedarf kann das System mit den modularen kleinen Elektrolyseuren angepasst werden, um beispielsweise die aus der Anlage entfernten Elektrolyseure an anderer Stelle, wo eine größere Nachfrage nach Wasserstoff herrscht, bedarfsgerecht verwenden zu können.According to the proposal, the electrolysis system, for example in the 40-foot container mentioned, is designed with the infrastructure for full capacity utilization. The implementation takes place modularly in small electrolysers, each of which is housed in a rack slide-in system. Depending on customer requirements, the electrolysis system can be equipped according to current and changing requirements. The system can be adapted with the modular small electrolyzers not only when the hydrogen demand subsequently increases, but also when it decreases, for example to be able to use the electrolyzers removed from the plant elsewhere, where there is a greater demand for hydrogen.

Das weiter oben bereits beschriebene Anwendungsbeispiel, eine erfindungsgemäße Elektrolyseanlage einer Tankstelle zuzuordnen, wird nachfolgend noch näher erläutert. Mittels der Elektrolyseanlage wird eine Wasserstofftankstelle geschaffen, die zur Betankung von Fahrzeugen mit Wasserstoff dient. Der Begriff der Wasserstofftankstelle betrifft den Zapfpunkt, an welchem ein Fahrzeug mit Wasserstoff befüllt, also betankt werden kann. Beispielsweise können elektrisch angetriebene Fahrzeuge den Wasserstoff in einer Brennstoffzelle zur Erzeugung elektrischer Energie nutzen. Fahrzeuge mit einer Verbrennungskraftmaschine können den Wasserstoff als Brenngas nutzen. Als Tankstelle hingegen wird die herkömmliche Tankstelle mit einer oder mehreren Zapfsäulen für fossile Brennstoffe bezeichnet, die auch einen Verkaufsraum sowie ggf. eine Waschanlage umfasst.The application example already described above, of assigning an electrolysis system according to the invention to a gas station, is explained in more detail below. The electrolysis system will create a hydrogen filling station, which will be used to fill up vehicles with hydrogen. The term hydrogen filling station refers to the filling point at which a vehicle can be filled with hydrogen, i.e. refueled. For example, electrically powered vehicles can use hydrogen in a fuel cell to generate electrical energy. Vehicles with an internal combustion engine can use the hydrogen as a fuel gas. A gas station, on the other hand, is the conventional gas station with one or more petrol pumps for fossil fuels, which also includes a sales room and, if necessary, a car wash.

Die Elektrolyseanlage kann über die Betankung der wasserstoffbetriebenen Fahrzeuge hinaus genutzt werden, um die Tankstelle mit Strom und Wärme zu versorgen. Die Wasserstofftankstelle mit der Elektrolyseanlage kann zusätzlich zu den bereits weiter oben erwähnten Komponenten eine integrierte Brennstoffzelle aufweisen, um Strom und Wärme auskoppeln zu können. In der Elektrolyseanlage wird der Wasserstoff mithilfe regenerativer Energien erzeugt, beispielsweise mithilfe von Windkraft, durch PV-Module oder dergleichen. Der erzeugte Wasserstoff wird in einem Speichertank zwischengespeichert, so dass auch zu Zeiten, wenn keine regenerative Energie erzeugt wird, beispielsweise während der „Dunkelflaute“, mittels der Brennstoffzelle elektrische Energie aus dem gespeicherten Wasserstoff erzeugt werden kann, ohne auf die Verwendung fossiler Brennstoffe oder auf Energie aus einem öffentlichen Spannungsnetz zurückgreifen zu müssen.The electrolysis system can be used for refueling the hydrogen-powered vehicles to supply the filling station with electricity and heat. In addition to the components already mentioned above, the hydrogen filling station with the electrolysis system can have an integrated fuel cell in order to be able to extract electricity and heat. In the electrolysis system, the hydrogen is generated using regenerative energies, for example using wind power, PV modules or the like. The generated hydrogen is temporarily stored in a storage tank so that even at times when no regenerative energy is generated, for example during the "dark doldrums", electrical energy can be generated from the stored hydrogen using the fuel cell without using fossil fuels or on Having to use energy from a public power grid.

Die Elektrolyseure der Elektrolyseanlage können mit einer Flüssigkeitskühlung versehen sein, so dass in dieser Flüssigkeit enthaltene Wärmeenergie über einen oder mehrere Wärmetauscher an einen Wärmeträger abgegeben und an anderer Stelle genutzt werden kann. Im Bereich der Elektrolyseanlage können weiterhin Luft-Wärmetauscher vorgesehen sein, um die Wärmeenergie, die beispielsweise in der Luft innerhalb des Containers enthalten ist, nicht als Verluste abführen zu müssen, sondern Dementsprechend kann die Abwärme der Elektrolyseanlage in der Tankstelle genutzt werden, beispielsweise zur Beheizung des Verkaufsraums, als Prozesswärme für die erwähnte Waschanlage, oder dergleichen.The electrolysers of the electrolysis system can be provided with liquid cooling, so that the thermal energy contained in this liquid can be given off to a heat carrier via one or more heat exchangers and used elsewhere. In the area of the electrolysis system, air heat exchangers can also be provided so that the heat energy contained in the air inside the container, for example, does not have to be dissipated as losses, but instead the waste heat from the electrolysis system can be used in the filling station, for example for heating of the salesroom, as process heat for the mentioned car wash, or the like.

Ein an die Elektrolyseanlage angrenzender Anschlussnehmer - wie die als Anwendungsbeispiel erwähnte Tankstelle - kann als Verbraucher mit Strom und Wärme versorgt werden. Dieses bietet explizit für Tankstellen mit Wasserstoffzapfpunkt die Möglichkeit die elektrische Grundlast für die Tankstelle über den Elektrolyseur mit Brennstoffzelle bereit zu stellen. Gerade in den ersten Jahren ist mit einem noch schwachen Wasserstoffabsatz zu rechnen. Das System mit der Versorgungsmöglichkeit für den Betrieb der Tankstelle oder eines anderen Anschlussnehmers bietet eine Ersatzfinanzierung durch die Bereitstellung der Strom- und Wärmegrundlast.A connection recipient adjacent to the electrolysis system - such as the filling station mentioned as an application example - can be supplied with electricity and heat as a consumer. This explicitly offers the possibility for filling stations with a hydrogen filling point to provide the basic electrical load for the filling station via the electrolyser with a fuel cell. Weak hydrogen sales are to be expected, especially in the first few years. The system with the option of supplying the operation of the gas station or another subscriber offers alternative financing by providing the electricity and heat base load.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der rein schematischen Darstellungen nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigt

  • 1 eine perspektivische, teilweise weggebrochene Ansicht auf eine Elektrolyseanlage,
  • 2 eine perspektivische Ansicht auf einen Stack von mehreren Elektrolyseuren, und
  • 3 ein schematisches Schaltbild, welches die Anbindung einer Elektrolyseanlage an einen Anschlussnehmer zeigt.
Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below on the basis of the purely schematic representations. while showing
  • 1 a perspective, partially broken away view of an electrolysis plant,
  • 2 a perspective view of a stack of several electrolysers, and
  • 3 a schematic circuit diagram showing the connection of an electrolysis system to a connection recipient.

In 1 ist eine Elektrolyseanlage 1 dargestellt, die in einem 40-Fuß-ISO-Container 2 angeordnet ist. Eine Seitenwand des Containers 2 ist teilweise weggebrochen dargestellt, so dass im Inneren des Containers 2 eine Vielzahl einzelner Elektrolyseure 3 erkennbar ist. Zu den Elektrolyseuren 3 weist die Elektrolyseanlage 1 zusätzliche Komponenten auf, die als „Infrastruktur“ der Elektrolyseanlage 1 bezeichnet werden können und beispielsweise einen Gleichrichter enthalten können, falls die zum Betrieb der Elektrolyseanlage erforderliche elektrische Energie in Form einer Wechselspannung bereitgestellt wird. Weiterhin weisen diese zusätzlichen Komponenten eine Wasseraufbereitungseinrichtung für das zu verwendende Wasser sowie einen Trockner für das erzeugte Wasserstoffgas auf.In 1 An electrolysis system 1 is shown, which is arranged in a 40-foot ISO container 2. A side wall of the container 2 is partially broken away, so that a large number of individual electrolyzers 3 can be seen inside the container 2 . In addition to the electrolyzers 3, the electrolysis system 1 has additional components that can be referred to as the “infrastructure” of the electrolysis system 1 and can contain, for example, a rectifier if the electrical energy required to operate the electrolysis system is provided in the form of an AC voltage. Furthermore, these additional components have a water treatment device for the water to be used and a dryer for the hydrogen gas that is produced.

Außerhalb der Elektrolyseanlage 1 befindet sich erstens eine Anlage zur Erzeugung von „grünem Strom“, also zur Erzeugung regenerativer elektrischer Energie, beispielsweise in Form eines Wind- oder Wasserkraftwerks, in Form von PV-Modulen oder dergleichen. Zweitens befindet sich außerhalb der Elektrolyseanlage 1 eine Wasserversorgung, beispielsweise in Form des öffentlichen Trinkwassernetzes, einer lokalen Zisterne oder dergleichen. Drittens befindet sich außerhalb der Elektrolyseanlage 1 ein Speichertank, um das erzeugte Wasserstoffgas zwischenspeichern zu können, so dass es je nach Bedarf diskontinuierlich aus dem Speichertank abgegeben werden kann, beispielsweise um ein wasserstoffbetriebenes Fahrzeug zu betanken.Outside the electrolysis system 1 there is firstly a system for generating "green electricity", ie for generating regenerative electrical energy, for example in the form of a wind or hydroelectric power plant, in the form of PV modules or the like. Secondly, there is a water supply outside the electrolysis plant 1, for example in the form of the public drinking water network, a local cistern or the like. Thirdly, there is a storage tank outside the electrolysis system 1 in order to be able to temporarily store the generated hydrogen gas, so that it can be discharged from the storage tank intermittently as required, for example to refuel a hydrogen-powered vehicle.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist weiterhin vorgesehen, dass die Elektrolyseanlage 1 auch eine Brennstoffzelle und einen Wechselrichter aufweist, so dass der Wasserstoff auch als Energiespeichermedium genutzt werden kann, um zeitversetzt zu der Funktion der Anlage zur regenerativen Energieerzeugung elektrische Energie bereitstellen zu können. Diese Energie kann einerseits in Form von Gleichspannung für den Betrieb der Elektrolyseanlage 1 selbst genutzt werden, mittels des Wechselrichters kann sie bedarfsweise jedoch auch in Form einer Wechselspannung bereitgestellt werden, beispielsweise um die Entnahme elektrische Energie aus einem öffentlichen Spannungsnetz reduzieren zu können.In the exemplary embodiment shown, it is also provided that the electrolysis system 1 also has a fuel cell and an inverter, so that the hydrogen can also be used as an energy storage medium in order to be able to provide electrical energy at a later time than the function of the system for regenerative energy generation. On the one hand, this energy can be used in the form of direct voltage for the operation of the electrolysis system 1 itself, but it can also be provided in the form of an alternating voltage by means of the inverter, if necessary, for example to enable the Ent to be able to reduce the consumption of electrical energy from a public voltage grid.

2 zeigt sechs Elektrolyseure 3, die als einzelne Module in ein sogenanntes Rack, also ein Rahmengestell 4 eingeschoben worden sind. Zugunsten dieser modulartigen Handhabung weist jeder Elektrolyseur 3 an seiner Vorderseite Handgriffe 5 auf, so dass er von vorn in das Rahmengestell 4 eingeschoben werden kann. Seitlich außerhalb der beiden Handgriffe 5 weist jeder Elektrolyseur Befestigungsstellen auf, um in dem Rahmengestell 4 festgelegt werden zu können, beispielsweise mit dem Rahmengestell 4 verschraubt zu werden. 2 shows six electrolysers 3, which have been inserted as individual modules in a so-called rack, ie a frame 4. In favor of this modular handling, each electrolyzer 3 has handles 5 on its front, so that it can be pushed into the frame 4 from the front. Each electrolyzer has attachment points on the side outside of the two handles 5 in order to be able to be fixed in the frame 4, for example to be screwed to the frame 4.

3 zeigt in Form eines schematischen Blockschaltbildes, dass die Elektrolyseanlage 1 an einen Anschlussnehmer 6 durch Verbindungsleitungen angeschlossen ist. Bei dem Anschlussnehmer 6 kann es sich beispielsweise um ein Tankstellengebäude handeln. Über eine elektrische Verbindungsleitung 7 kann der Anschlussnehmer 6 von der Elektrolyseanlage 1 mit elektrischer Energie versorgt werden, indem aus zwischengespeichertem Wasserstoff mittels der erwähnten Brennstoffzelle elektrische Energie erzeugt wird, die mittels des Wechselrichters als Wechselspannung bereitgestellt wird und somit die Entnahme elektrischer Energie aus einem öffentlichen Spannungsnetz zu reduzieren hilft. Über eine thermische Verbindungsleitung 8 kann thermische Energie, beispielsweise über ein Wärmeträgerfluid, von der Elektrolyseanlage 1 zum Anschlussnehmer 6 übertragen werden. Die Verbindungsleitungen 7 und 8 dienen beispielsweise dazu, eine Grundlast des elektrischen und thermischen Energiebedarfs des Anschlussnehmers 6 abzudecken. 3 shows in the form of a schematic block diagram that the electrolysis system 1 is connected to a subscriber 6 by connecting lines. The subscriber 6 can be a gas station building, for example. The connection recipient 6 can be supplied with electrical energy from the electrolysis system 1 via an electrical connecting line 7 in that electrical energy is generated from temporarily stored hydrogen by means of the fuel cell mentioned, which is provided as AC voltage by means of the inverter and thus the removal of electrical energy from a public voltage network to reduce helps. Thermal energy, for example via a heat transfer fluid, can be transferred from the electrolysis system 1 to the connection recipient 6 via a thermal connecting line 8 . The connecting lines 7 and 8 are used, for example, to cover a base load of the electrical and thermal energy requirements of the connectee 6 .

Um die Versorgung des Anschlussnehmers 6 mit elektrischer und thermischer Energie auch bei höherem Bedarf sicherzustellen, weist der Anschlussnehmer 6 einen Versorgungsanschluss 9 für elektrische Energie und einen Versorgungsanschluss 10 für thermische Energie auf. Während über die thermische Verbindungsleitung 8 tatsächlich Wärme von der Elektrolyseanlage 1 zu dem Anschlussnehmer 6 übertragen wird, kann der Versorgungsanschluss 10 für die thermische Energie auch dadurch verwirklicht sein, dass nicht die Wärme selbst, sondern vielmehr ein für die Wärmeerzeugung vorgesehener Energieträger wie Öl, Gas oder dergleichen dem Anschlussnehmer 6 zugeführt wird.In order to ensure that the connection recipient 6 is supplied with electrical and thermal energy even when there is a higher demand, the connection recipient 6 has a supply connection 9 for electrical energy and a supply connection 10 for thermal energy. While heat is actually transferred from the electrolysis system 1 to the connection recipient 6 via the thermal connecting line 8, the supply connection 10 for the thermal energy can also be implemented in such a way that it is not the heat itself, but rather an energy source intended for heat generation, such as oil, gas or the like is supplied to the subscriber 6.

BezugszeichenlisteReference List

11
Elektrolyseanlageelectrolysis plant
22
ISO-ContainerISO container
33
Elektrolyseurelectrolyser
44
Rahmengestellframe
55
Handgriffhandle
66
Anschlussnehmerconnectee
77
Elektrische VerbindungsleitungElectrical connection line
88th
Thermische VerbindungsleitungThermal connection line
99
Versorgungsanschluss für elektrische EnergieSupply connection for electrical energy
1010
Versorgungsanschluss für thermische EnergieSupply connection for thermal energy

Claims (8)

Elektrolyseanlage (1), die dazu bestimmt ist, mittels elektrischer Energie aus flüssigem Wasser gasförmigen Wasserstoff zu erzeugen, und die einen Gleichrichter und / oder einen Wechselrichter aufweist, eine Wasseraufbereitungseinrichtung aufweist, die dazu bestimmt ist, bestimmte Inhaltsstoffe in dem Wasser auf einen bestimmten Höchstwert zu begrenzen und eine elektrische Leitfähigkeit des Wassers innerhalb eines vorbestimmten Wertebereichs zu begrenzen, einen Trockner aufweist, der dazu bestimmt ist, den Wasserdampfanteil in dem erzeugten Wasserstoffgas auf einen bestimmten Höchstwert zu begrenzen, sowie wahlweise einen oder mehrere Elektrolyseure (3) aufweist, die dazu bestimmt sind, aus dem Wasser Wasserstoffgas zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolyseanlage (1) konstruktiv darauf ausgelegt ist, eine maximale Anzahl von Elektrolyseuren (3) aufzuweisen, und dass Komponenten, welche die Elektrolyseanlage (1) zusätzlich zu den Elektrolyseuren (3) aufweist, konstruktiv auf den Betrieb der Elektrolyseanlage (1) mit der maximalen Anzahl von Elektrolyseuren (3) in der Art ausgelegt sind, dass diese Komponenten als jeweils zentrale Komponente der gesamten Elektrolyseanlage (1) ausgestaltet ist, die zum Zusammenwirken mit wahlweise unterschiedlichen Anzahlen bis hin zur maximalen Anzahl von Elektrolyseuren (3) bestimmt ist.Electrolysis system (1), which is intended to generate gaseous hydrogen from liquid water using electrical energy and which has a rectifier and/or an inverter, has a water treatment device which is intended to limit certain ingredients in the water to a specific maximum value and to limit an electrical conductivity of the water within a predetermined range of values, having a drier intended to limit the proportion of water vapor in the hydrogen gas produced to a specified maximum value, and optionally having one or more electrolysers (3) capable of doing so are intended to generate hydrogen gas from the water, characterized in that the electrolysis system (1) is structurally designed to have a maximum number of electrolyzers (3), and that components which the electrolysis system (1) in addition to the electrolyzers (3 ) exhibits, constructi v are designed for the operation of the electrolysis system (1) with the maximum number of electrolyzers (3) in such a way that these components are designed as the central component of the entire electrolysis system (1), which can be used to interact with optionally different numbers up to maximum number of electrolysers (3) is determined. Elektrolyseanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolyseanlage (1) innerhalb eines ISO-Containers (2) angeordnet ist.electrolysis plant claim 1 , characterized in that the electrolysis system (1) is arranged within an ISO container (2). Elektrolyseanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolyseanlage innerhalb eines 40-Fuß-ISO-Containers (2) angeordnet ist.electrolysis plant claim 2 , characterized in that the electrolysis plant is arranged within a 40-foot ISO container (2). Elektrolyseanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolyseure (3) jeweils als Modul ausgestaltet sind, welches zur Aufnahme in einem standardisierten Rahmengestell (4) bestimmt ist und die damit zusammenwirkenden Befestigungsstellen aufweist.Electrolysis system according to one of the preceding claims, characterized in that the electrolysers (3) are each designed as a module are, which is intended to be accommodated in a standardized framework (4) and has the fastening points interacting therewith. Elektrolyseanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolyseure (3) jeweils zur Aufnahme in einem 19-Zoll-Rack bestimmt ist.electrolysis plant claim 4 , characterized in that the electrolyzers (3) are each intended to be accommodated in a 19-inch rack. Elektrolyseanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Elektrolyseure (3) zu einer Gruppe zusammengefasst und gemeinsam handhabbar montiert sind.Electrolysis installation according to one of the preceding claims, characterized in that several electrolysers (3) are combined to form a group and are mounted so that they can be handled together. Elektrolyseanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Elektrolyseure (3) zu einem so genannten Stack zusammengefasst sind, welches wenigstens fünf übereinandergestapelte Elektrolyseure (3) aufweist.electrolysis plant claim 6 , characterized in that the plurality of electrolyzers (3) are combined to form a so-called stack, which has at least five electrolyzers (3) stacked one on top of the other. Elektrolyseanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolyseanlage (1) eine Brennstoffzelle aufweist.Electrolysis system according to one of the preceding claims, characterized in that the electrolysis system (1) has a fuel cell.
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