DE102022204924A1

DE102022204924A1 - Elektrolyseanlage, Verfahren zum Betrieb einer Elektrolyseanlage und Anlagenverbund umfassend eine Elektrolyseanlage und eine Windenergieanlage

Info

Publication number: DE102022204924A1
Application number: DE102022204924.1A
Authority: DE
Inventors: Sven Schumann
Original assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2022-05-18
Filing date: 2022-05-18
Publication date: 2023-11-23
Also published as: WO2023222265A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrolyseanlage umfassend mindestens ein Elektrolysemodul (3A, 3B), wobei ein Elektrolysemodul (3A, 3B) eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Elektrolysezellen (5) aufweist. Es ist eine elektrisch parallel geschaltete gleichstromfähige Schaltvorrichtung (6) vorgesehen, die einen zuschaltbaren Leistungswiderstand (7) aufweist, so dass in geschlossenem Zustand ein Strompfad durch den Leistungswiderstand (7) aktivierbar ist, so dass eine Überbrückung von Elektrolysezellen (5) bewirkt wird und überschüssige Leistung durch den Leistungswiderstand (7) ableitbar ist.Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Elektrolyseanlage (1) zum Zerlegen von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff, sowie einen Anlagenverbund (100) umfassend eine Elektrolyseanlage 1, die direkt an eine Windenergieanlage (31) angeschlossen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrolyseanlage umfassend mindestens ein Elektrolysemodul. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb einer Elektrolyseanlage zum Zerlegen von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff und einen Anlagenverbund mit einer Elektrolyseanlage und einer an die Elektrolyseanlage angeschlossene Windenergieanlage.
Eine Elektrolyseanlage ist eine Vorrichtung, die mit Hilfe von elektrischem Strom eine Stoffumwandlung herbeiführt (Elektrolyse). Entsprechend der Vielfalt an unterschiedlichen elektrochemischen Elektrolyseprozessen gibt es auch eine Vielzahl von Elektrolyseanlagen, wie beispielsweise eine Elektrolyseanlage für eine Wasserelektrolyse.
Wasserstoff wird heutzutage beispielsweise mittels einer Proton Exchange Membrane (PEM)-Elektrolyse oder einer alkalischen Elektrolyse aus Wasser erzeugt. Die Elektrolyseanlagen produzieren mit Hilfe elektrischer Energie Wasserstoff und Sauerstoff aus dem zugeführten Wasser. Dieser Prozess findet in einem Elektrolysestack, zusammengesetzt aus mehreren Elektrolysezellen, statt. Mehrere Elektrolysezellen sind dabei in Serie geschaltet zu einem Elektrolysemodul oder kurz Modul zusammengefasst. Mehrere Module wiederum in einer Reihenschaltung sind zu einem Elektrolysestack verschaltet. In dem unter einer Gleichspannung (DC-Spannung) stehenden Elektrolysestack wird als Edukt Wasser eingebracht, wobei nach dem Durchströmen des Wassers durch die Elektrolysezellen zwei Fluidströme als Elektrolyseprodukte, bestehend aus Wasser und Gasblasen (O₂ bzw. H₂) austreten.
Aktuelle Überlegungen gehen dahin, mit überschüssiger Energie aus erneuerbaren Energiequellen in Zeiten mit viel Sonne und viel Wind, also mit überdurchschnittlicher Solarstrom- oder Windkrafterzeugung, Wertstoffe zu erzeugen. Ein Wertstoff kann insbesondere Wasserstoff sein, welcher durch Wasser-Elektrolyseanlagen erzeugt wird. Auf Basis von Wasserstoff kann beispielsweise sogenanntes Erneuerbare-Energien-Gas - auch als EE-Gas bezeichnet, hergestellt werden. Ein EE-Gas ist ein brennbares Gas, welches mit Hilfe elektrischer Energie aus erneuerbaren Quellen gewonnen wird.
Wasserstoff stellt dabei einen besonders umweltfreundlichen und nachhaltigen Energieträger dar. Er hat das einzigartige Potential Energiesysteme, Verkehr und große Teile der Chemie ohne CO₂-Emissionen zu realisieren. Damit dies gelingt, darf der Wasserstoff allerdings nicht aus fossilen Quellen stammen, sondern muss mit Hilfe von erneuerbaren Energien produziert werden. Inzwischen wird zumindest ein wachsender Anteil des aus erneuerbaren Quellen erzeugten Stroms in das öffentliche Stromnetz eingespeist. Somit kann entsprechend dem Strommix ein entsprechender Anteil grüner Wasserstoff erzeugt werden, wenn eine Elektrolyseanlage mit Strom aus dem öffentlichen Netz betrieben wird.
Bei im industriellen Maßstab ausgeführten Elektrolysen wird der Gleichstrom überwiegend über netzgeführte Gleichrichter bereitgestellt.
In der EP 3 556 905 A1 ist eine derartige Schaltungsanordnung zur Gleichstromversorgung mehrerer parallel angeordneter Elektrolyseure offenbart. Die Schaltungsanordnung umfasst einen Gleichrichter, der eine eingangsseitige Wechselspannung in eine ausgangsseitige erste Gleichspannung wandelt. Dabei ist jeder Elektrolyseur jeweils über einen die erste Gleichspannung in eine zweite Gleichspannung wandelnden Gleichrichter, insbesondere einen Abwärtswandler, derart parallel zum Ausgang des Gleichrichters geschaltet, dass die zweite Gleichspannung über dem Elektrolyseur abfällt. Jeder der Gleichrichter, insbesondere der Abwärtswandler, ist zur Anpassung der Höhe seiner zweiten Gleichspannung, seiner Ausgangsspannung, steuerbar bzw. regelbar ausgeführt. Durch Einsatz der steuerbar und/oder regelbar ausgeführten Abwärtswandler für jeden der Elektrolyseure kann somit auch bei der Parallelschaltung der Elektrolyseure bedarfsweise eine Anpassung des Stromflusses durch jeden Elektrolyseur vorgenommen werden.
Eine Quelle für erneuerbare Energien ergibt sich aus der zunehmenden Windkraftnutzung. Insbesondere mit küstennahen, sogenannten Offshore-Windenergieanlagen lassen sich große elektrische Leistungen realisieren. Herausfordernd ist allerdings, dass eine große Distanz zu den Verbrauchern zu überwinden ist. Die Energie sollte also möglichst verlustfrei zum Verbraucher transportiert werden. Als Transportmedium und Energieträger eignet sich sehr gut Wasserstoff. Dieser kann zum Beispiel durch Pipelines in gasförmiger Form transportiert werden. Ein positiver Nebenaspekt hierbei ist, dass eine Wasserstoff-führende Pipeline gleichzeitig die Funktion eines Energiespeichers erfüllen kann, da der innere Druck in gewissen Grenzen variiert werden kann.
Aus diesen Überlegungen heraus ist beispielsweise von besonderem wirtschaftlichen Interesse, den Wasserstoff direkt am Ort der Energiegewinnung, also autark und unabhängig vom öffentlichen Netz, zu produzieren. Hierzu ist vorgeschlagen, die Elektrolyseanlagen auf Offshore-Plattformen im maritimen Bereich direkt an Offshore-Windenergieanlagen oder in deren unmittelbarer Nähe zu installieren und mit dem erzeugten Strom elektrisch zu versorgen.
Auch für das Festland wurden solche Konzepte vorschlagen, den Strom aus Onshore-Windkraftanlagen oder Fotovoltaikanlagen zumindest teilweise durch eine direkte Anbindung an und Einspeisung in eine Elektrolyseanlage unmittelbar für eine Wasserstofferzeugung zu nutzen. In all diesen Anwendungen ist die Elektrolyseanlage Teil eines Inselnetzes. Der Elektrolysestrom wird also nicht aus dem öffentlichen Netz bezogen, sondern direkt von einer Windenergieanlage oder einer PV-Anlage geliefert und in einen Elektrolyseur der Elektrolyseanlage eingespeist. Im Gegensatz zu dem oben beschriebenen netzgeführten Betrieb bringt insbesondere der Direktanschluss jeweils besondere Herausforderungen und Probleme hinsichtlich der elektrotechnischen Anbindung und Verschaltung der Elektrolyseanlage mit der jeweiligen EE-Erzeugungsanlage mit sich, sei es eine Windenergieanlage oder eine Fotovoltaikanlage, insbesondere um einen sicheren und vor allem störungsfreien Betrieb der Elektrolyseanlage in einem unmittelbaren Anlagenverbund mit der EE-Erzeugungsanlage zu gewährleisten.
Daher gibt es einen großen Bedarf nach technischen Lösungen und Vorkehrungen für planmäßige oder außerplanmäßige Betriebssituationen einer Elektrolyseanlage, bei denen beispielsweise in kurzer Zeit auf eine geänderte Last reagiert werden muss. Diese Notwendigkeit kann infolge von Änderungen der Erzeugerleistung bei Anschluss an eine EE-Erzeugungsanlage hinsichtlich der bereitgestellten Leitung auftreten, die ja naturgemäß Schwankungen unterliegt. Es können aber insbesondere auch plötzliche Änderungen der Verfügbarkeit der Abnahmeleistung seitens einer Elektrolyseanlage auftreten, etwa bei Ausfall eines oder mehrerer Elektrolysemodule oder eines Elektrolysestacks mit einer Mehrzahl in Serie geschalteter Module.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Elektrolyseanlage anzugeben, mittels derer insbesondere Strom aus einer erneuerbaren Quelle direkt in die Elektrolyseanlage einspeisbar ist, wobei eine hohe Betriebsflexibilität bei gleichzeitiger Anlagensicherheit gegeben ist. Weitere Aufgaben bestehen in der Angabe eines entsprechenden Verfahrens zum Betrieb einer Elektrolyseanlage sowie in der Angabe eines Anlagenverbunds mit einer Elektrolyseanlage und mit einer Erneuerbaren-Energie-Anlage.
Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Elektrolyseanlage umfassend mindestens ein Elektrolysemodul, wobei ein Elektrolysemodul eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Elektrolysezellen aufweist, und umfassend eine elektrisch parallel geschaltete gleichstromfähige Schaltvorrichtung, die einen zuschaltbaren Leistungswiderstand aufweist, so dass in geschlossenem Zustand ein Strompfad durch den Leistungswiderstand aktivierbar ist, so dass eine Überbrückung von Elektrolysezellen bewirkt wird und überschüssige Leistung durch den Leistungswiderstand ableitbar ist.
Die Erfindung geht bereits von der Erkenntnis aus, dass bei Elektrolyseanlagen die Elektrolysezellen des eines Elektrolysemoduls sehr empfindlich gegenüber einer Beaufschlagung mit unzulässig hohen Stromdichten sind. Eine Überlastung kann zu einem Durchbruch der Elektrolysezellen und zum Versagen führen, überdies zu lokal induzierten Kurzschlüssen durch thermische Überlastung infolge der lokal hohen Stromdichten innerhalb der Elektrolysezelle und deren Komponenten. Dies kann im schlimmsten Szenario zu einem Verlust eines gesamten Elektrolysemoduls führen, das im Allgemeinen aus einer Vielzahl von axial gestapelten Elektrolysezellen zusammengesetzt ist, die elektrisch in einer Serienschaltung kontaktiert sind. Durch diese Reihenschaltung erfasst ein unzulässiger Stromfluss gleichermaßen somit eine Vielzahl von Elektrolysezellen und Elektrolysemodulen. Daher sind Vorkehrungen für die Betriebssicherheit und Anlagensicherheit einer Elektrolyseanlage vorzusehen, die eine Überlastung und einen Durchbruch vermeiden. Dies kann etwa dann der Fall sein, wenn durch einen unvorhergesehenen plötzlichen - temporären oder dauerhaften -Ausfall von Elektrolysezellen oder eines Elektrolysemoduls die Aufnahmeleistung oder Nennleistung im Regelbetrieb der Elektrolyseanlage nicht mehr zur Verfügung steht. Ein plötzlicher Verlust bzw. instantane Reduzierung an Aufnahmeleistung würde ohne Schutzmaßnahmen bei gleichbleibender Einspeisung des der Elektrolyseanlage zugeführten Gleichstroms die gesamte Anlage gefährden und die Elektrolysezellen einer Überlastung aussetzen. Belastet sind hier insbesondere die Elektrolysemodule, die noch im parallelen Betrieb sind. Hier würde sich die Stromdichte erhöhen, bis die Konverter entsprechend nachgeregelt haben, da die Überschussleistung abgeführt werden muss, die zuvor für die nunmehr abgeschaltete Elektrolyse aufgewendet wurde. Mit der Erfindung ist dabei die überschüssige Leistung bedarfsweise sowohl auf der Erzeugerseite als auch auf der Lastseite durch den Leistungswiderstand ableitbar, was sehr vorteilhaft für den Schutz der Anlage ist.
Mit der elektrisch parallel zu den Elektrolysezellen bzw. dem Elektrolysemodul geschalteten gleichstromfähigen Schaltvorrichtung wird durch die Erfindung eine sicherheitstechnische Lösung unmittelbar an der Elektrolyseanlage selbst geschaffen. Dies kann vorteilhaft die Reaktionszeit für erforderliches Zuschalten des Leistungswiderstands über eine Aktivierung des Strompfad reduzieren. Vorteilhaft ist bei dieser autarken Lösung ist weiterhin, dass bei der Schutzfunktion zunächst nicht auf die externe Quelle Einfluss genommen werden muss, die weiterhin den Nennstrom zuführt. Somit ist zunächst zumindest für gewisse Zeit ein Regeleingriff über die Leistungsregelung der Stromquelle nicht erforderlich. So kann etwa die Steuerung an der Stelle einfacher ausgestaltet werden, da nicht gleichzeitig mit dem Abregeln des einen Konverters, die parallel geschalteten Konverter bereits gleichfalls präventiv runtergeregelt werden müssen. Dies ist insbesondere bei einem direkten Anschluss an einen trägen Stromerzeuger, wie etwa eine Windenergieanlage von besonderem Vorteil. Bei Windenergieanlagen ist nämlich eine Nachführung, insbesondere eine notwendige Reduzierung und Anpassung der Einspeiseleistung an die Aufnahmeleistung, nur vergleichsweise langsam möglich, d.h. die Leistungsregelung auf der Erzeugerseite kann nur recht langsam einem neuen reduzierten Sollwert folgen. Hingegen ist eine Überbrückung von einzelnen oder mehreren Elektrolysezellen bzw. auch bedarfsweise eines gesamten Elektrolysemoduls instantan bewirkbar und herbeiführbar. Die Elektrolyseanlage kann in dieser Situation weiter in Betrieb bleiben und z.B. Wasserstoff produzieren, wobei die Überschussenergie über den Leistungswiderstand der Schaltvorrichtung sicher abführbar ist. Das verhindert in einem Inselnetzbetrieb auch eine Spannungserhöhung auf der Seite der externen Stromquelle. Diese Gefahr bestünde, wenn die Leistung sonst nirgendwo verbraucht bzw. abgenommen werden könnte.
Ferner wird durch die Erfindung eine besonders zuverlässige Schutzschaltung bei einer Überlast etwa bei Ausfall eines Elektrolysemoduls oder mehrerer Elektrolysemodule geschaffen, um einen Überlastschutz der Elektrolysezellen und der Elektrolysemodule sicher zu gewährleisten. Je nach Überlastsituation kann der dann überschüssig zur Verfügung stehende Strom nicht auf die noch betriebenen Elektrolysezellen oder Elektrolysemodule verteilt werden. Bei einem Ausfall oder Abschaltung einzelner oder mehrerer Elektrolysezellen oder eines Elektrolysemoduls könnte die eingespeiste Leistung durch die Elektrolyseanlage nicht mehr abgenommen werden ohne Schaden zu nehmen. Wenn diese Komponenten oder elektrischen Subsysteme einer Elektrolyseanlage abgeschaltet werden, muss die Überschussenergie absorbiert werden. Dazu dient der Leistungswiderstand, der auch als Bremswiderstand bezeichnet werden kann. Der Leistungswiderstand nimmt bei Aktivierung des Strompfads die elektrische Energie vollständig auf und setzt diese in ohmsche Wärme um. Diese Wärmeenergie ist bedarfsweise als Nutzwärme durch Ankopplung etwa an ein Wärmereservoir oder an einen Wärmetauscher energetisch weiter nutzbar. Als Leistungswiderstand kann bevorzugt etwa ein elektromechanischer Hochleistungsstellwiderstand für Leistungsanwendungen zur Anwendung kommen. Deren Widerstandselemente sind in der Regel aus dickem Widerstandsdraht, der geeignet ist, über einen längeren Zeitraum den Nennstrom zu führen und die Elektrolysezellen zu überbrücken, sofern sein ohmscher Widerstand minimal ist. Es ist aber auch ein Leistungswiderstand möglich, der lediglich einige Sekunden den vollen Strom der Elektrolyse übernehmen und ableiten muss. Diese Zeit sollte ausreichend sein die externe Stromquelle für die der Elektrolyse zugeführte Leistung nachregeln zu können.
Diese Problematik ist besonders ausgeprägt bei einem direkten Anschluss einer Elektrolyseanlage an eine DC-Stromquelle, die etwa durch eine Fotovoltaikanlage oder eine Windenergieanlage bereitgestellt ist. Die Elektrolyseanlage ist dadurch besonders vorteilhaft für einen Direktanschluss und eine Direkteinspeisung von Gleichstrom aus einer Erneuerbaren-Energie-Anlage eingerichtet. Eine sehr vorteilhafte Schutzvorkehrung für planmäßige oder außerplanmäßige Betriebssituationen der Elektrolyseanlage wird damit erzielt, bei denen beispielsweise in kurzer Zeit auf eine geänderte Last reagiert werden muss. Dieses Erfordernis kann infolge von Änderungen der Erzeugerleistung bei Anschluss an eine EE-Erzeugungsanlage hinsichtlich der bereitgestellten Leitung auftreten, die ja natürlichen Schwankungen der Erzeugung unterliegt. Es können aber in vorteilhafter Weise besonders plötzliche Änderungen der Verfügbarkeit der Abnahmeleistung seitens einer Elektrolyseanlage begegnet werden, wie bei einem unvorhergesehenen Ausfall eines oder mehrerer Elektrolysezellen, eines oder mehrerer Elektrolysemodule oder eines Elektrolysestacks mit einer Mehrzahl in Serie geschalteter Elektrolysemodule. Somit können auch Erzeugungsspitzen seitens der Erzeugerleistung, z.B. einer EE-Anlage, zumindest teilweise abgefangen werden.
Auch ist bei einem Direktanschluss der Elektrolyseanlage an eine Windenergieanlage zur Versorgung mit 100% Grünstrom eine nachteilige Rückkopplung oder Rückwirkung auf die Windenergieanlage, insbesondere deren Generator, durch die Schaltvorrichtung mit dem Leistungswiderstand bei einer Überbrückung unterbunden. Die systemische Trägheit auf der Erzeugerseite ist somit entkoppelt. Die Elektrolyseanlage ist damit so ausgelegt, dass sie auf der Erzeugerseite - etwa bei einem Direktanschluss an eine Windenergieanlage - eine Nachführung und Anpassung über eine Leistungsregelung entsprechend der immanenten Regelungszeiten erlaubt.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung umfasst die Elektrolyseanlage mindestens zwei in Reihe geschaltete Elektrolysemodule, die jeweils eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Elektrolysezellen aufweisen.
Das Anlagenkonzept mit der Schutzschaltung durch die integrierte gleichstromfähige Schaltvorrichtung ist daher modulweise erweiterbar. Somit können eine Mehrzahl von Elektrolysemodulen zu einer Elektrolyseanlage vorteilhaft zusammengeführt sein, wobei eine bedarfsweise und insbesondere modulweise Anwendung des zuschaltbaren Leistungswiderstands möglich ist. Hierdurch sind Elektrolyseanlagen mit großer Leistung im industriellen Maßstab möglich. Diese sind in besonderer Weise auf eine temporäre auftretende Überlast auf der Erzeugerseite ausgelegt und vorbereitet. Eine besonders hohe Betriebsflexibilität bei gleichzeitiger Anlagensicherheit ist erzielt.
Vorzugsweise ist durch die parallel geschaltete Schaltvorrichtung in geschlossenem Zustand eine Überbrückung eines Elektrolysemoduls bewirkt. Bei einem üblicherweise modularen Aufbau eines Elektrolysestacks oder eines Elektrolyseurs umfassend mehrere in Reihe geschalteter Elektrolysemodule, ist es von großem Vorteil, wenn die Schaltvorrichtung für eine Überbrückung eines jeweiligen Elektrolysemoduls eingerichtet ist. Somit kann im Bedarfsfall modulweise angepasst und überbrückt werden und ein jeweiliger Strompfad über den Leistungswiderstand ist aktivierbar.
Dabei ist vorzugsweise in einer Elektrolyseanlage durch die Schaltvorrichtung in geschlossenem Zustand eine Überbrückung mehrerer Elektrolysemodule bewirkt. Damit ist die Elektrolyseanlage vorteilhaft so eingerichtet, dass mehrere jeweilige Strompfade für die Überbrückung mehrerer jeweiliger Elektrolysemodule aktivierbar sind. Der Leistungswiderstand oder die jeweiligen Leistungswiderstände in einem Überbrückungs-Strompfad sind entsprechend des bei einem Ausfall oder einem Abschalten zu erwartenden Leistungsverlustes in dem Strompfad dimensioniert. So führt etwa bei einem Elektrolysestack oder einem Elektrolyseur umfassend fünf seriell geschaltete Elektrolysemodule, der Ausfall eines Elektrolysemoduls elektrolyseseitig zu 20% niedrigerer Abnahmeleistung. Entsprechend muss bei einer Modulüberbrückung der Leistungswiderstand auf die Nennleistung eines Elektrolysemoduls oder bei einer nur temporären Belastung auch deutlich unter der Nennleistung ausgelegt sein. Der Leistungswiderstand ist so ausgelegt, dass er kurzzeitig überlastet werden kann und ist daher gerade auch für Anlagen mit kurzen Spitzenströmen einsetzbar. Bei einem Elektrolyseur sind typischerweise die einzelnen Elektrolysezellen zu einem Elektrolysemodul umfassend eine Vielzahl von einzelnen Elektrolysezellen in einer axialen Richtung gestapelt und zu dem Modul oder Elektrolysemodul verbaut. Ein Elektrolyseur als funktionale Baueinheit einer Elektrolyseanlage weist dabei üblicherweise eine Mehrzahl von Elektrolysemodulen auf, die insgesamt einen sogenannten Elektrolysestack oder einfach „Stack“ bilden. So können beispielsweise 50 Elektrolysezellen axial zu einem Modul gestapelt sein und wiederum beispielsweise 5 Module zu einem Stack in axialer Richtung gestapelt sein, so dass ein solcher Elektrolysestack mithin beispielsweise 250 Zellen in einem axialen Gesamtverbund umfassen kann. Eine Elektrolyseanlage kann mehrere parallel geschaltete Elektrolysestacks oder Elektrolyseure aufweisen.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Elektrolyseanlage weist die Schaltvorrichtung ein mechanisch schließbares Schaltelement auf. Das Schaltelement ist dabei insbesondere als elektrisch oder elektromagnetisch ansteuerbarer Schalter oder Schütz ausgestaltet.
Dabei ist es auch möglich, dass in einer Schaltvorrichtung eine Kombination aus einer Mehrzahl von Schaltelementen, insbesondere eine Kombination zweier Schaltelemente vorgesehen ist, wobei die Schaltelemente vorzugsweise für ein zeitlich gestaffeltes Schalten ausgelegt sind.
In der Kombination schaltet ein erstes Schaltelement den Strompfad über den Leistungswiderstand hinzu. Ein zweites Schaltelement trennt die Hauptversorgungsleitung für die Bereitstellung von Elektrolysestrom für die Elektrolyseanlage.
Der Leistungswiderstand ist hierbei von seinem Widerstandswert derart dimensioniert, dass dieser in etwa dem Widerstand in dem Pfad der Elektrolyse, die er abschaltet, entspricht. Somit erfolgt vorteilhafterweise kein Kurzschluss und der Strom würde sonst nicht in den parallelen Pfad mit dem Leistungswiderstand kommutieren bzw. sich maximal in etwa 50:50 gleichmäßig aufteilen.
Das kann in vorteilhafter und kostengünstiger Ausgestaltung auch mit nur einem - analog zu einem Wechselschalter - ausgestalteten Schaltelement mit zwei stromführenden Schaltzuständen realisiert werden, der in einer Stellung die Elektrolyse bestromt und in der zweiten Stellung den Leistungswiderstand bei einer Überbrückung beaufschlagt. Diese Wechselschalterlösung wird bevorzugt angewendet, wenn z.B. ein fehlerhaftes Elektrolysemodul weggeschaltet werden soll und an den parallelen Einheiten möglichst keine Schalthandlungen erfolgen sollen.
Alternativ könnte auch nur mit einem jeweiligen Schaltelement gearbeitet werden, wie oben beschrieben. Das ist dann vorzugsweise so ausgelegt und aktivierbar, dass z.B. die fehlerhafte und zu überbrückende Elektrolyse hart abgeschaltet wird und diese Lastwiderstände bei den übrigen parallelen Einheiten dann zugeschaltet werden für eine gewisse Zeitspanne, um den Strompeak auf der Erzeugerseits abzufangen bzw. aufzufangen.
Vorteilhaft ist die Ausgestaltung des Schaltelements als Schütz oder auch Schaltschütz vorgesehen. Dies ist ein elektrisch oder elektromagnetisch betätigter Schalter für große elektrische Leistungen und ähnelt einem Relais. Das Schütz kennt zwei Schaltstellungen und schaltet ohne besondere Vorkehrungen im Normalfall monostabil. Für die Zuschaltung der erforderlichen hohen Leistungen in sehr kurzer Zeit über den Leistungswiderstand ist eine elektromechanische Ausführung besonders vorteilhaft. Hierbei ist eine Magnetspule in dem Schaltelement vorgesehen.
Fließt ein Steuerstrom durch die Magnetspule des elektromechanischen Schützes, zieht das Magnetfeld die mechanischen Kontakte in den aktiven Zustand. Ohne Strom stellt eine Feder den Ruhezustand wieder her, alle Kontakte kehren in ihre Ausgangslage zurück. Die Anschlüsse für Steuerstrom für die Magnetspule sowie die Kontakte für Hilfskreise (falls vorhanden) und zu schaltende Ströme sind im Schütz gegeneinander isoliert ausgeführt: Es gibt keine leitende Verbindung zwischen Steuer- und Schaltkontakten. Im Grunde ist ein Schütz ein Relais mit wesentlich höherer Schaltleistung. Typische Lasten beginnen bei etwa 500 Watt bis hin zu mehreren hundert Kilowatt bis mehreren Tausend Kilowatt. Durch Parallelschaltung mehrerer Schaltelemente oder Schaltschütze sind entsprechend höhere Leistungen durchschaltbar, was je nach Anwendungsfall an die über den Leistungswiderstand abzuführende Leistung flexibel anpassbar ist. Entsprechend ist es auch möglich mehrere Leistungswiderstände mit entsprechender Leistungsaufnahme vorzusehen, die parallel geschaltet sind.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Elektrolyseanlage weist die Schaltvorrichtung als Schaltelement einen Thyristor auf, so dass bei Zündung des Thyristors der Strompfad durch den Leistungswiderstand aktivierbar ist.
Ein Thyristor ist als Schaltelement für hohe Leistungen besonders vorteilhaft einsetzbar. Der Thyristor ist ein Halbleiterbauelement, das aus vier oder mehr Halbleiterschichten wechselnder Dotierung aufgebaut ist. Thyristoren sind einschaltbare Bauelemente, das heißt, sie sind im Ausgangszustand nichtleitend und können durch einen kleinen Strom an der Gate-Elektrode eingeschaltet werden. Nach dem Einschalten bleibt der Thyristor auch ohne Gatestrom leitend. Ausgeschaltet wird er durch Unterschreiten eines Mindeststroms, des sogenannten Haltestroms. Durch Strominjektion in die dritte Schicht (Ansteuerung am Gate) kann der Thyristor gezündet, d.h. leitfähig geschaltet werden. Dadurch wird der Strompfad durch den Leistungswiderstand geschlossen, d.h. aktiviert.
Voraussetzung dafür ist eine positive Spannung zwischen Anode und Kathode sowie ein Mindeststrom durch die mittlere Sperrschicht. Gelöscht, also in den Sperrzustand versetzt, wird der Thyristor entweder durch Unterschreiten des Haltestroms (engl. Holding Current), was im Allgemeinen beim Abschalten oder Umpolen der Spannung im Laststromkreis oder beim StromNulldurchgang des Lastkreises (z. B. im Gleichrichter) geschieht, oder durch Umpolen in die Sperrrichtung. Die Geschwindigkeit dieses Vorgangs wird durch die so genannte Freiwerdezeit begrenzt, die erforderlich ist, damit der Thyristor nach Beendigung der Stromleitungsphase wieder seine volle Steuer- und Sperrfähigkeit erhält.
Es ist auch möglich, dass als Schaltelement ein Thyristor und ein elektromagnetisch ansteuerbarer Schalter in der Schaltvorrichtung vorhanden sind. Je nach Ausgestaltung der Elektrolyseanlage, Anwendung und spezifischer Lastsituation in dem zu schaltenden Strompfad sind Kombinationen möglich.
Alternativ bevorzugt ist bei Schaltvorrichtung das Schaltelement als Halbleiterbauelement ausgestaltet, das einen Insulated-Gate-Bipolar-Transistor (IGBT) aufweist, so dass bei Öffnung des Gates des IGBT der Strompfad durch den Leistungswiderstand aktivierbar ist.
Ein IGBT ist ein in der Leistungselektronik gerne verwendetes Bauteil, da es Vorteile des Bipolartransistors wie gutes Durchlassverhalten, hohe Sperrspannung, Robustheit und die Vorteile eines Feldeffekttransistors mit einer nahezu leistungslosen Ansteuerung vereinigt. Die markanten Vorteile von IGBTs sind die hohen Spannungs- und Stromgrenzen mit Betriebsspannungen von bis zu 6500 V und Strömen von bis zu 3600 A bei einer Leistung von bis zu 100 MW. Dadurch ist der IGBT in dem Gleichrichter 15 für den Arbeitsbereich des Elektrolyseurs 3 ideal einsetzbar. Denkbar ist je nach Anwendung auch die Verwendung eines so genannten IGCT, d.h. eines integrated gate-commutated thyristors. Dieser weist einen verringerten Beschaltungsaufwand, eine Erhöhung der maximalen Pulsfrequenzen zur Ansteuerung sowie bessere Schaltzeiten bei Reihenschaltung auf, was vorteilhaft ist. Das Einsatzgebiet von IGCTs sind Stromrichter hoher Leistung. Ein einzelnes Modul schaltet dabei typischerweise einige Kiloampere bei einer typischen Sperrspannung von 4500 V.
In bevorzugter Ausgestaltung ist der Leistungswiderstand einstellbar oder regelbar. Hierbei ist die Ausführung als regelbarer Hochlast-Widerstand beispielsweise mit einem hohen Nennstrom von 10 bis 30 Ampere, insbesondere von 15.0 - 20.0 Ampere vorzusehen sowie eine Nennleistung von 1.5 bis 10.0 Kilowatt, typischerweise 2.0 Kilowatt. Um auf höhere Leistungen und höhere Nennströme bei der Überbrückung zu kommen, sind bei Bedarf Parallelschaltungen mehrerer Leistungswiderstände zu einem gesamten Leistungswiderstand in dem jeweiligen Strompfad flexibel vorgesehen. Der praktisch abzuführende Strom wird je nach Technologie der Elektrolyse typischerweise bei einigen Kiloampere bei einer Elektrolyseanlage liegen, also rund einen Faktor 100 größer, als möglicherweise für einen einzelnen Leistungswiderstand angegeben oder verfügbar. Somit sind auch Anordnungen und Schaltungen aus einer Anzahl mehrerer Leistungswiderstände umfasst. Der Leistungswiderstand kann bedarfsweise und je nach Anmeldungsfall auch als Wasserbad ausgeführt sein oder ein Wasserbad aufweisen. Der Strom wird dann bedarfsweise einfach durch ein Wasserbad abgeführt.
Weiter bevorzugt ist der Leistungswiderstand auf eine Überlast ausgelegt, so dass der Leistungswiderstand bei einer Bestromung bis zu 5 Sekunden, insbesondere bis zu 10 Sekunden, bei einem abklingenden Strom betreibbar und überschüssige Leistung ableitbar ist.
Da der Lastwiderstand bei einer Überbrückung der Bremswiderstände den Strom regelt, sollten sie per Definition für einen Dauerstrom, den Nennstrom, ausgelegt sein. Der Lastwiderstand kann aber auch kurzzeitig überlastet werden und ist daher gerade auch für Anlagen mit kurzen Spitzenströmen einsetzbar, wie etwa besonders vorteilhaft bei der Elektrolyseanlage. Entsprechend der Lastkurve kann beispielsweise für eine zu löschende Bremsenergie von 2 kW, die maximal 4 Sekunden ansteht, ein Leistungswiderstand mit einer maximalen Dauerlast zwischen 800-1000 Watt eingesetzt werden, was etwa 200% bis 250% des Nennwerts von Nennstrom oder Nennleistung beträgt. Vorteilhaft ist daher ein überlastfähiger Leistungswiderstand eingesetzt, mit einer möglichst hohen Grenzspannung von bis zu 5000 Volt und einem hohen Nennstrom.
Bevorzugt beträgt die Überlastfähigkeit des Leistungswiderstands 200% bis 300%, insbesondere etwa 250%, bei einem abklingenden Strom von bis zu 5 Sekunden. Dies ist ein besonders interessanter Arbeitsbereich, bei dem auf der Seite der Stromquelle, insbesondere im Falle einer Windenergieanlage, eine entsprechende Leistungsregelung innerhalb derselben Zeit von etwa 5 Sekunden einspeiseseitig durchführbar ist und eine erforderliche Nachführung bzw. Reduzierung der der Elektrolyseanlage zuführbaren Gleichstromleistung auf einen reduzierten Wert vollzogen. Dadurch ist sehr vorteilhaft eine Anpassung erreicht, was bei einem Direktanschluss der Elektrolyseanlage an eine Windenergieanlage bei hoher Betriebssicherheit ermöglicht.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Elektrolyseanlage ist in der Schaltvorrichtung parallel zu dem Strompfad durch den zuschaltbaren Leistungswiderstand ein weiterer Strompfad vorgesehen, der ein weiteres Schaltelement sowie eine Diode in Vorwärtsrichtung und/oder einen niederohmigen Widerstand in Reihe mit dem weiteren Schaltelement aufweist, wobei der weitere Strompfad in einem geschlossenen Zustand einen geringeren elektrischen Widerstand aufweist als die Elektrolysezellen, so dass bei einer Überbrückung von Elektrolysezellen eine Polarität und eine Schutzspannung für die Elektrolysezellen aufrechterhalten ist.
Durch den weiteren Strompfad, der parallel zu dem Strompfad bedarfsweise zuschaltbar ist, wird sehr vorteilhaft ein weiterer Schutzbedarf erkannt und in der Schaltvorrichtung realisiert. Speziell für Betriebssituationen von Elektrolysezellen oder mehrerer Elektrolysemodule in einem Teillastbetrieb ist diese Schutzschaltung in dem weiteren Strompfad sehr vorteilhaft und flexibel. Bei einer unzureichenden Verfügbarkeit und Einspeisung von Elektrolyseleistung durch eine externe Stromquelle, insbesondere Elektrolysestrom, ist somit die Einrichtung eines weiteren Strompfads zur gezielten und zugleich sicheren Überbrückung und von einzelnen oder mehreren Elektrolysezellen für einen sicheren Teillastbetrieb vorgesehen und dadurch eine vorteilhafte Erweiterung des Betriebsfensters der Elektrolyseanlage. Die Elektrolyseanlage ist mittels der so ausgestalteten Schaltvorrichtung sowohl für eine Überlastgefahr bei Ausfall oder Abschaltung von Elektrolysezellen eingerichtet, also auch bei einer Unterlastsituation beispielsweise durch eine reduzierte Erzeugung, oder für den Fall, dass ausgewählten Elektrolysezellen oder ein Elektrolysemodul temporär außer Betrieb gesetzt werden, etwa für geplante Wartungszwecke. Durch diese Art der Überbrückung werden diese Komponenten praktisch kurzgeschlossen. Die bestrombaren Elektrolysezellen oder Elektrolysemodule können im Wesentlichen unter Nennlast betrieben werden, was effizienter ist als alle Elektrolysezellen oder Elektrolysemodule in Teillast zu fahren.
Dabei ist in dem weiteren Strompfad eine Schutzschaltung vorgeschlagen, die eine Schutzspannung als Vorspannung mit entsprechender Polarität der überbrückten Elektrolysezellen oder wahlweise eines ganzen Elektrolysemoduls in der Elektrolyseanlage sicherstellt. Diese Schutzschaltung führt zu einer erheblichen Verbesserung der Betriebssicherheit in einem Teillastbetrieb, da die schützende Vorspannung über der Diode und/oder über dem niederohmigen Widerstand der Gefahr eines schädigenden Brennstoffzellenbetriebs bei den überbrückten Elektrolysemodulen sehr wirksam entgegenwirkt. Ohne diese Schutzvorkehrung würde durch die verbleibenden Produktgase, Wasserstoff und Sauerstoff, im Kathodenraum bzw. Anodenraum des überbrückten Elektrolysemoduls aufgrund der elektrochemischen Potentiale ein sehr nachteiliger Brennstoffzellenprozess einsetzen, den es zu vermeiden gilt. Dieser Gefahr wird mit dieser vorteilhaften Weiterbildung der Elektrolyseanlage gezielt begegnet. Überdies wird durch die Vermeidung des unerwünschten Brennstoffzellenbetriebs - als Umkehrprozess des Elektrolysebetriebs - die Lebensdauer der beteiligten Komponenten einer Elektrolysezelle deutlich erhöht. Eine Lebensdauer optimierte Betriebsführung ist dadurch ebenfalls möglich.
In bevorzugter Ausgestaltung weist die Elektrolyseanlage eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Elektrolysezellen auf, so dass ein Elektrolysemodel gebildet ist, so dass bei einer Aktivierung des weiteren Strompfads durch ein Schließen des weiteren Schaltelements eine Überbrückung des Elektrolysemoduls bewirkt ist, wobei eine Polarität und eine Schutzspannung für das Elektrolysemodul aufrechterhalten ist.
Somit ist eine Überbrückung eines ganzen Elektrolysemoduls über den Strompfad und den zuschaltbaren Leistungswiderstand bei einer Überlastsituation vorgesehen, oder alternativ ist der weitere Strompfad durch ein Schließen des weiteren Schaltelements aktivierbar, so dass ein verbesserter und besonders wirtschaftlicher Teilastbetrieb mit einem wirksamen Schutz des kurzgeschlossenen Elektrolysemoduls erreicht ist. Bei der Aktivierung des weiteren Strompfads für einen Teillastbetrieb ist der Strompfad mit dem Leistungswiderstand nicht bestromt, sondern dieser Strompfad wird umgangen.
Hierfür ist der Widerstand des weiteren Strompfades bevorzugt so gewählt, dass die resultierende Stromaufteilung dazu führt, dass das Elektrolysemodul in dem relevanten Strombereich ausreichend bestromt wird, um einen unerwünschten Brennstoffzellenbetrieb zu verhindern.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung weist die Elektrolyseanlage eine Anschlusseinheit mit einem Eingang zum Anschluss an eine externe Gleichstromquelle sowie einen Ausgang auf, der an ein Elektrolysemodul angeschlossen ist, wobei die Anschlusseinheit einen Transformator aufweist, an den primärseitig ein Wechselrichter und sekundärseitig ein Gleichrichter angeschlossen ist, so dass ein Gleichstrom den Elektrolysemodulen zuführbar ist.
Mit dieser vorteilhaften Weiterbildung der Elektrolyseanlage durch die Anschlusseinheit wird ein AC-Zwischenkreis bereitgestellt, der eine galvanische Entkopplung zwischen einer externen Gleichstromquelle und der Elektrolyseanlage vorsieht. In dem AC-Zwischenkreis sorgt der Wechselrichter für eine Umwandlung der Gleichspannung aus der externen Gleichstromquelle in eine Wechselspannung, die primärseitig an den Transformator koppelt. Auf der Sekundärseite des Transformators ist ein Gleichrichter geschaltet, der für die Rückumwandlung in eine Gleichspannung sorgt, und zwar auf einem für die Elektrolyse gewünschten und vorbestimmten Spannungs- bzw. Stromniveau. Die Anschlusseinheit ist daher besonders vorteilhaft als AC-Zwischenkreis ausgestaltet und konzipiert für die Bereitstellung von Gleichstrom durch eine externe Gleichstromquelle zur Versorgung der Elektrolyseanlage mit Elektrolysestrom. Dies erfolgt durch direkte Kopplung bzw. direkten Anschluss des Eingangs an eine externe Gleichstromquelle. Als externe Gleichstromquelle ist vorteilhaft eine Windenergieanlage oder eine Fotovoltaikanlage an die Elektrolyseanlage anschließbar, die jeweils netzunabhängig in einem so genannten Inselbetrieb sowohl für Offshore- als auch für Onshore-Anwendungen vorteilhaft ausgestaltet sein kann.
Die externe Gleichstromquelle ist dabei direkt und unmittelbar über den Eingang der Anschlusseinheit anschließbar, so dass eine Gleichstromversorgung der Elektrolyseanlage erreicht ist. Durch die galvanische Trennung und Entkopplung über den AC-Zwischenkreis ist mit der Anschlusseinheit zudem eine schädigende Einstreuung von Streuströmen sicher vermieden und somit auch Erdschlussströme und unerwünschte Spannungsverluste in der Elektrolyseanlage. Zugleich ist eine einfache und zuverlässige Direktanbindung der Elektrolyseanlage an eine erneuerbare Energieerzeugungsanlage, insbesondere an eine Windenergieanlage, erzielbar und ein netzunabhängiger Betrieb begünstigt.
Dabei kann in einer bevorzugten Ausgestaltung der Gleichrichter regelbar und/oder als Dreiphasengleichrichter, insbesondere als B6-Brückengleichrichter, ausgebildet sein.
Eine Regelbarkeit des oder der Gleichrichter, welche vorteilhaft als Dreiphasengleichrichter beziehungsweise als B6-Brückengleichrichter ausgebildet sind, ermöglicht es, den über den oder die Gleichrichter erzeugten Gesamtstrom einzustellen und somit beispielsweise den Betrieb eines mit der Anschlusseinheit verbundenen Elektrolyseurs oder mehrerer Elektrolyseure zu steuern.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass bei der Anschlusseinheit die Wechselstromfrequenz auf einen vorbestimmten Wert einstellbar ist. Durch die Ausgestaltung der Schaltungsanordnung als AC-Zwischenkreise muss dieser nicht an ein öffentliches Netz angeschlossen werden und man ist damit weitgehend frei in der Wahl der Wechselstromfrequenz im Transformator. Vorteilhaft wird hier ein Hochfrequenz-Transformator vorgesehen, so dass von den üblichen Frequenzen in den öffentlichen Netzen bedarfsweise abgewichen werden kann. So kann etwa die Anschlusseinheit auf eine Wechselstromfrequenz in einem als Hochfrequenztransformator ausgestalteten Transformator von 500 Hz bis 50 kHz, insbesondere von 10 kHz bis 30 kHz, ausgelegt sein. Allerdings sind eine entsprechende Auslegung sowie Anwendung des Transformators für einen Betrieb bei Netzfrequenz weiterhin möglich.
In bevorzugter Ausgestaltung der Elektrolyseanlage ist die Anschlusseinheit auf eine Wechselstromfrequenz ausgelegt, die größer als die üblichen Netzfrequenzen von 50 Hz bis 60 Hz in den öffentlichen Netzen ist. Es bietet sich an, hier hohe Frequenzen zu verwenden, da dadurch die Baugröße und das Gewicht des Transformators sowie der Materialeinsatz reduziert werden können. Dieser Aspekt ist insbesondere bei einem direkten Anschluss der Elektrolyseanlage an eine Windenergieanlage sehr vorteilhaft. Durch die kompaktere Bauweise und das geringere Gewicht bei hoher Betriebsfrequenz kann der Transformator beispielweise in der Gondel der Windenergieanlage untergebracht werden oder im Boden des Turms der Windenergieanlage. Die Schaltungsanordnung insgesamt kann ebenfalls dort angeordnet sein. Somit kann die Elektrolyseanlage beispielsweise in unmittelbarer Nähe der Windenergieanlage stehen, so dass kurze Leitungswege für den Anschluss möglich sind.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung ist die Schaltungsanordnung auf eine Wechselstromfrequenz von 500 Hz bis 50 kHz, insbesondere von 10 kHz bis 30 kHz, ausgelegt. Diese Frequenz betrifft die Frequenz des Wechselrichters und des Gleichrichters, die an den Transformator angeschlossen sind. Um die Bauraumvorteile und Kostenvorteile auszunutzen, ist als Transformator ein Hochfrequenz-Zwischenkreistransformator bereitgestellt.
Bevorzugt weist der Transformator ein Übersetzungsverhältnis von kleiner als 10, insbesondere zwischen 1.5 und 7.5, auf. Dies ist flexibel an die Anforderungen des Elektrolyseurs bzw. der gewünschten Spannungsebene für den Elektrolyseprozess anpassbar, so dass je nach Anwendung auch größere Übersetzungsverhältnisse möglich sind.
Das Verhältnis von Windungszahlen, beziehungsweise der primär- und sekundärseitigen Spannungen, wird auch als Übersetzungsverhältnis bezeichnet. Durch geeignete Wahl des Übersetzungsverhältnisses, also der Windungszahlen können mit dem Transformator Wechselspannungen sowohl hochtransformiert werden als auch heruntertransformiert werden. Dadurch ist eine Anpassung mit Blick auf die Elektrolyse vorteilhaft möglich.
Dabei ist auch ein Spannungshub von größer als 10 möglich, je nach Anwendung und Auslegung der Elektrolyseanlage und speziell des eingesetzten Transformators. Bekannte Elektrolyseanlagen werden typischerweise mit maximal 1500 V Gleichspannung betrieben, was noch einem Niederspannungsbereich entspricht. Für eine Anbindung an eine Stromerzeugungsanlage können aber durchaus mehr als 15 kV Gleichspannung vorgesehen sein und zur Verfügung stehen. Daher kann eine obere Grenze für den Spannungshub auch bevorzugt bis zu 70 gewählt werden. Dann kann die verfügbare Anschlussspannung - etwa sofern die Elektrolyseanlage bei nur 1000 V Gleichspannung betrieben würde - bis zu rund 70 kV betragen. Bei den derzeit verfügbaren Windenergieanlagen können beispielsweise Ausgangsspannungen von 66 kV Wechselspannung abgehen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Elektrolyseanlage mit hoher Betriebsflexibilität bei gleichzeitiger Anlagensicherheit.
Die damit verbundene Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Elektrolyseanlage zum Zerlegen von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff bei dem eine erfindungsgemäße Elektrolyseanlage gemäß der Erfindung bereitgestellt wird, bei dem in einem Regelbetrieb wenigstens zwei Elektrolysemodulen ein Elektrolysestrom zugeführt wird, wobei Wasserstoff und Sauerstoff in dem Elektrolysemodul erzeugt werden, bei dem bei einem Ausfall eines der Elektrolysemodule ein Überbrückungsbetrieb eingeleitet wird, wobei der Strompfad durch den Leistungswiderstand aktiviert wird, so dass das ausgefallene Elektrolysemodul überbrückt wird, und bei dem die überschüssige Leistung durch den Leistungswiderstand aufgenommen wird.
Mit dem Verfahren wird insbesondere bei einem unvorhergesehenen Ausfall oder einer Notabschaltung eines oder mehrerer Elektrolysemodule, oder eines Teils eines Elektrolysestacks bzw. eines Elektrolyseurs umfassend eines oder mehrerer Elektrolysemodule oder sogar der vollständigen Elektrolyseanlage, sofortig eine Schutzprozedur auf Seiten der Elektrolyseanlage aktiviert. Bei dieser wird je nach Absenkung der Leistungsaufnahme das ausgefallene Elektrolysemodul oder die mehreren ausgefallenen Elektrolysemodule außer Betrieb genommen bzw. stromlos gesetzt, indem diese instantan überbrückt werden. Hierdurch wird die gesamte Elektrolyseanlage vor einer Überlastung geschützt. Eine erzeugerseitige externe Leistungsregelung auf Seiten von einem z.B. mechanisch bedingt trägem Stromerzeuger kann in der Regel nicht schnell genug die Leistungsangabe regulieren, d.h. reduzieren, um diese an eine reduzierte Aufnahmeleistung der Elektrolyseanlage anzupassen und nachzuführen. Ein Beispiel hierfür stellt eine Windenergieanlage dar, die beispielsweise bei einem Leistungsverlust von 20% im Elektrolyseur einige Sekunden Zeit benötigt, um den Anstellwinkel der Rotorblätter entsprechend anzupassen. Der in dieser Zeit überschüssig erzeugte Strom kann - je nach vorherigem Arbeitspunkt - nicht auf die noch laufenden Elektrolysemodule verteilt werden, um dort keine unerlaubt hohen Stromdichten zu erzeugen.
Im Überbrückungsbetrieb wird bei dem Verfahren der Erfindung die Überschussenergie daher vorteilhaft abgeleitet, indem in der Elektrolyseanlage der Strompfad durch den Leistungswiderstand aktiviert wird, insbesondere so lange bis sich die Stromerzeugungsanlage ggf. auf die neue Situation eingestellt hat.
Bevorzugt wird bei dem Verfahren die zugeführte elektrische Leistung auf die reduzierte Aufnahmeleistung der Elektrolyseanlage angepasst, wobei der Elektrolysestrom reduziert und eine zeitlich abklingende Stromstärke über den Leistungswiderstand herbeigeführt wird.
Dabei wird bevorzugt die zugeführte elektrische Leistung von einer Windenergieanlage eingespeist, an die die Elektrolyseanlage angeschlossen ist, wobei im Überbrückungsbetrieb der Anstellwinkel der Rotorblätter auf die Aufnahmeleistung der Elektrolyseanlage angepasst wird.
Weiter bevorzugt wird hierbei innerhalb von maximal 10 Sekunden, insbesondere innerhalb von maximal 5 Sekunden, der zugeführte Elektrolysestrom auf die reduzierte Aufnahmeleistung der Elektrolyseanlage angepasst. Bei einer Windenergieanlage sind typischerweise bis zu 5 Sekunden von besonderem Vorteil, um die Leistungsanpassung der Abgabenleistung an die Aufnahmeleistung der Elektrolyseanlage anzupassen und abzuschließen. Zugleich ist in dieser Zeit eine abklingende hohe Stromstärke durch den überlastfähigen Leistungswiderstand führbar, so dass im Überbrückungsbetrieb eine vorteilhafte Anpassung der Abgabeleistung zu der Aufnahmeleistung erzielt ist und zugleich ein wirksamer Überlastschutz der Elektrolyseanlage.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Anlagenverbund umfassend eine Elektrolyseanlage, die eine hohe Betriebsflexibilität bei gleichzeitiger Betriebssicherheit des Anlagenverbunds aufweist.
Die damit verbundene Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Anlagenverbund umfassend eine Elektrolyseanlage und eine Windenergieanlage, wobei ein Ausgang zur Bereitstellung von Gleichstrom vorgesehen ist, wobei der Ausgang an einen Eingang der Elektrolyseanlage angeschlossen ist.
Dabei ist der Anlagenverbund gemäß der Erfindung funktional so zu verstehen, dass die originär von der Windenergieanlage am Generator erzeugte Wechselspannung jedenfalls eine Gleichrichtung erfährt, d.h. in einem Gleichrichter für die Verwendung und den Anschluss an eine Elektrolyseanlage gleichgerichtet wird. Je nach anlagentechnischer Ausgestaltung des Anlagenverbunds kann der Ausgang des Gleichrichters zur Bereitstellung von Gleichstrom räumlich innerhalb der Elektrolyseanlage angeordnet werden, beispielsweise in einem Container des Elektrolyseanlage oder eines Containers oder Gehäuses eines Elektrolyseurs. Die Windenergieanlage gibt dann bevorzugt selbst nur eine AC-Spannung ab, die entsprechend für Elektrolysezwecke gleichgerichtet wird. Der Ausgang zur Bereitstellung von Gleichstrom kann durch die Windenergieanlage selbst gebildet sein, die einen Gleichrichter aufweist oder der ein Gleichrichter zugeordnet ist. Der Gleichrichter kann aber auch der Elektrolyseanlage zugewiesen sein.
Hierdurch ist ein vom öffentlichen Netz unabhängiger Inselnetzbetrieb in dem Anlagenverbund möglich, und eine unmittelbare Nutzung von Strom ausschließlich aus einer Windenergieanlage für die Elektrolyse, so dass 100% grüner Wasserstoff gebildet werden kann.
Dabei weist weiter bevorzugt die Windenergieanlage einen Gleichrichter auf, der gleichstromseitig an den Eingang der Elektrolyseanlage angeschlossen bzw. mit dem Eingang elektrisch verbunden ist. Der Gleichrichter wandelt dabei den originären Wechselstrom aus einem Generator der Windenergieanlage in einen Gleichstrom um und stellt zugleich vorteilhaft die gewünschte Eingangs-Gleichspannungsebene für den Anschluss an die Elektrolyseanlage bereit. In alternativer Ausgestaltung kann auch die Elektrolyseanlage den Gleichrichter aufweisen, so dass eine Einspeisung von Wechselstrom aus der Windenergieanlage erzielt ist. Die Gleichrichtung in der Anwendung eines vorteilhaften Direktanschlusses einer Windenergieanlage an eine Elektrolyseanlage ist funktional zu verstehen.
In einer alternativen Ausgestaltung ist es vorzugsweise auch möglich, dass in dem Anlagenverbund die Erneuerbare-Energien-Anlage eine Fotovoltaikanlage ist. Eine PV-Anlage stellt im Betrieb bereits einen Gleichstrom zur Verfügung. Es kann dann aber vorzugsweise vorgesehen sein, dass in dem Anlagenverbund die Fotovoltaikanlage einen Gleichstromsteller oder Gleichspannungswandler aufweist, der ausgangsseitig an den Eingang der Elektrolyseanlage angeschlossen ist. Besonders bevorzugt ist in dem Anlagenverbund die Erneuerbare-Energien-Anlage eine Windenergieanlage.
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Elektrolyseanlage der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens zum Betrieb einer Elektrolyseanlage und Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Anlagenverbunds anzusehen und umgekehrt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den einzigen Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen schematisch und stark vereinfacht:

1 einen Anlagenverbund mit einer Elektrolyseanlage umfassend mehrere Elektrolyseure und mit einer Windenergieanlage;
2 einen Ausschnitt einer Elektrolyseanlage mit einem Elektrolyseur und mehreren gleichstromfähigen Schaltvorrichtungen.

Gleiche Bezugszeichen haben in den Figuren die gleiche Bedeutung.
In 1 ist ein Anlagenverbund 100 gemäß der Erfindung dargestellt. Der Anlagenverbund 100 umfasst eine Elektrolyseanlage 1 und eine an die Elektrolyseanlage 1 angeschlossene Windenergieanlage 31 als Erneuerbare-Energien-Anlage (EE-Anlage) und Quelle für grünen Strom. Die Elektrolyseanlage 1 weist drei parallel geschaltete Elektrolyseure 35A, 35B, 35C und eine Anschlusseinheit 19 auf, die mit den Elektrolyseuren 35A, 35B, 35C elektrisch verbunden ist. Die Anschlusseinheit 19 dient der Versorgung der Elektrolyseure 35A, 35B, 35C mit Elektrolysestrom. Der Anschluss der Anschlusseinheit 19 an die Elektrolyseure 35A, 35B, 35C erfolgt über einen jeweiligen Ausgang 23. Weiterhin weist die Anschlusseinheit 19 einen Eingang 21 auf, über den ein Gleichstrom der Elektrolyseanlage 1, insbesondere den Elektrolyseuren 35A, 35B, 35C zuführbar ist. Die Zufuhr von Gleichstrom aus einer Gleichstromquelle erfolgt über die Anschlusseinheit 19. Die Anschlusseinheit 19 weist hierzu einen Wechselrichter 27, einen Transformator 25 und einen Gleichrichter 29 auf. Dabei ist ein jeweiliger Gleichrichter 29 an die Elektrolyseure 35A, 35B, 35C angeschlossen, so dass ein jeweiliger Gleichrichter 29 jeweils einen der Elektrolyseure 35A, 35B, 35C mit einem Gleichstrom für die Elektrolyse versorgt. Mit der Anschlusseinheit 19 ist somit in der Elektrolyseanlage 1 ein AC-Zwischenkreis bereitgestellt, durch den der Eingang 21 von dem Ausgang 23 galvanisch entkoppelt ist. Primärseitig ist an den Transformator 25 der Wechselrichter 27 geschaltet. Sekundärseitig ist an den Transformator 25 der Gleichrichter 23 geschaltet. Über den Gleichrichter 23 der Anschlusseinheit 19 wird der Elektrolyseur 35A, 35B, 35C mit einem Gleichstrom, dem Elektrolysestrom versorgt. Die Elektrolyseure 35A, 35B, 35C können dabei als ein PEM-Elektrolyseur, als ein AEM-Elektrolyseur (AEM: anion-exchange-membrane) oder als ein alkalischer Elektrolyseur ausgestaltet sein.
Zur Versorgung mit einem Gleichstrom für den Elektrolyseprozess ist die Elektrolyseanlage 1 direkt an die Windenergieanlage 31 angeschlossen. Der Anschluss erfolgt dabei unmittelbar über den Eingang 21 der Anschlusseinheit 19, die für die Aufnahme und Weitergabe eines Gleichstroms an den Wechselrichter 27 entsprechend ausgelegt ist. Die Windenergieanlage 31 erzeugt zunächst einen Wechselstrom in einem Generator der Windenergieanlage 31. Um einen Gleichstrom an die Elektrolyseanlage 1 übergeben zu können, ist ein Gleichrichter 33 vorgesehen, so dass der Anschluss über diesen Gleichrichter 33 erfolgt, wobei der Gleichrichter 33 vorteilhaft ein elektrisches Leistungsbauteil der Windenergieanlage 33 ist.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst jeder der Elektrolyseure 35A, 35B, 35C mehrere Elektrolysemodule 3A, 3B, die jeweils in Reihe geschaltet sind. So können beispielsweise eines oder mehr Elektrolysemodule 3A, 3B zu einem jeweiligen Elektrolyseur 35A, 35B, 35C hintereinandergeschaltet sein. Jedes der Elektrolysemodule 3A, 3B weist eine Mehrzahl, insbesondere eine Vielzahl, von Elektrolysezellen 5 auf, die in einer axialen Richtung gestapelt und sowohl elektrisch kontaktiert als auch fluidtechnisch miteinander verbunden sind, so dass Edukt-Wasser zuführbar und die Produktgasströme zur weiteren Verwendung herausleitbar sind. Beispielsweise können fünfzig Elektrolysezellen 5 zu einem Elektrolysemodul 3A, 3B verbaut sein, so dass in einem Elektrolyseur 35A, 35B, 35C zweihundertfünfzig oder mehr Elektrolysezellen 5 verbaut sind. Ein so eingerichteter Elektrolyseur 35A, 35B, 35C umfassend mehrere Elektrolysemodule 3A, 3B wird auch als Elektrolysestack bezeichnet, der in einer Elektrolyseanlage 1 als eine funktionale Einheit aufgefasst werden kann. In der Ausgestaltung eines Elektrolyseurs 35A als alkalischer Elektrolyseur ist es möglich, dass aufgrund der großen Leistungen von alkalischen Elektrolyseuren auch nur ein Elektrolysemodul 3A vorgesehen ist.
Das Elektrolysemodul 3A umfasst eine elektrisch parallel geschaltete gleichstromfähige Schaltvorrichtung 6. Die Schaltvorrichtung 6 weist einen zuschaltbaren Leistungswiderstand 7 auf. Dadurch ist in einem geschlossenen Zustand der Schaltvorrichtung 6 ein Strompfad durch den Leistungswiderstand 7 aktivierbar, wodurch eine Überbrückung einer Anzahl von Elektrolysezellen 5 des Elektrolysemoduls 3A bewirkt ist und überschüssige Leistung durch den Leistungswiderstand ableitbar. Vorliegend ist das Elektrolysemodul 3A überbrückbar und entsprechend alle Elektrolysezellen 5 des Elektrolysemoduls 3A. Es ist auch möglich, dass alle Elektrolysemodule 3A, 3B in einem Elektrolyseur 35A, 35B, 35C mit der Schaltvorrichtung 6 versehen sind, oder dass die Schaltvorrichtung 6 derart ausgestaltet ist, dass einzelne oder mehrere Elektrolysezellen 5 überbrückbar sind. Es sind auch Kombinationen möglich, so dass individuell und auslegungsspezifisch für eine Elektrolyseanlage 1 auf der Ebene der Elektrolysezelle 5, der Elektrolysemodule 3A, 3B oder auf der Ebene eines der Elektrolyseure 35A, 35B, 35C Überbrückungsstrompfade geschlossen werden können. Dabei sind verschiedene Ausgestaltungen für die Schaltvorrichtung 6 möglich.
In dem Elektrolyseur 35A beispielweise weist die Schaltvorrichtung 6 ein mechanisch schließbares Schaltelement 9A auf, das als elektromagnetisch ansteuerbarer Schalter mit kurzer Schaltzeit im Bereich nur weniger Millisekunden, insbesondere zwischen 2 ms und 10 ms, beispielsweise 4 ms, ausgeführt ist. In dem Elektrolyseur 35A ist das Elektrolysemodul 3A bei Schließen des Schaltelements 9A vollständig überbrückbar. In dem parallel zu dem Elektrolyseur 35A geschalteten Elektrolyseur 35B weist die Schaltvorrichtung 6 als Schaltelement 9B einen Thyristor 11 auf. Der Thyristor 11 ist als ein Leistungsbauelement für hohe Schaltströme ausgeführt und weist niedrige Schaltzeiten von nur wenigen Millisekunden, insbesondere von etwa 3 ms, auf, so dass das Elektrolysemodul 3B bei Zündung des Thyristors 11 in kurzer Zeit überbrückbar ist. In dem Elektrolyseur 35C ist eine Schaltung gewählt, bei der die Schaltvorrichtung 6 alle Elektrolysemodule 3A, 3B und damit den gesamten Elektrolyseur 35C überbrückt. Dabei sind unmittelbar am Ausgang 23 des Gleichrichters 29 die beiden Versorgungsleitungen am Pluspol und am Minuspol über die Schaltungsvorrichtung 6 überbrückbar, das heißt bedarfsweise zu einem Kurzschluss schließbar. Nur zur Veranschaulichung ist in der 1 hier exemplarisch sowohl eine Ausgestaltung des Schaltelements 9B mit einem Thyristor 11 und einem Leistungswiderstand 7 als auch als ein Schaltelement 9A mit einem elektromagnetisch ansteuerbaren Schalter oder Schütz gezeigt. Beide Ausführungen sind in Einzelausführung oder in einer Kombination in der Schaltvorrichtung 6 möglich. Dabei kann es bevorzugt vorgesehen sein, dass - in 1 nicht näher gezeigt - je nach Überbrückungssituation für eine gewünschte vollständige Überbrückung, der Schaltkontakt derart ausgeführt ist, dass ein erster elektrischer Kontakt auf den Elektrolyseur 35C geht und ein zweiter elektrischer Kontakt auf den Leistungswiderstand 7. Somit kann eine vollständige Überbrückung des Elektrolyseurs 35C erzielt werden.
Der Leistungswiderstand 7 ist für eine Überlast ausgelegt und in seinem Widerstandswert einstellbar bzw. regelbar, so dass eine Anpassung an die jeweilige Einsatzsituation möglich ist. Die Auslegung für eine Überlast ist derart vorgenommen, dass der Leistungswiderstand 7 bei einer Bestromung bis zu fünf Sekunden, insbesondere bis zu 10 Sekunden, bei einem abklingenden Laststrom betreibbar ist. Somit ist sogar ein kurzfristiger Betrieb über dem Nennstrom möglich und eine sehr große Leistung über den Leistungswiderstand 7 während einer Überbrückung ableitbar.
Im Betrieb des Anlagenverbunds 100 wird grüner Strom in der Windenergieanlage 31 erzeugt. Der im Generator erzeugte Wechselstrom wird im Gleichrichter 33 in einen Gleichstrom umgewandelt. Hierdurch ist durch die Windenergieanlage 31 eine Gleichstromquelle bereitgestellt, so dass über den Ausgang des Gleichrichters 33 ein Gleichstrom direkt in den Eingang 21 der Elektrolyseanlage 1 eingespeist und zunächst an die Anschlusseinheit 19 übergeben wird. In der Anschlusseinheit 19 wird eine galvanische Trennung der Stromkreise durch den Transformator 25 durchgeführt, so dass vorteilhaft auch mögliche die Elektrolysezellen 5 schädigende Streuströme und Erdschlüsse in dem Anlagenverbund 100 wirksam unterdrückt oder sogar vermieden sind. Zunächst erfolgt für die Anschluss an der Primärseite des Transformators 25 eine Umwandlung in eine Wechselspannung. Der Transformator 25 transformiert diese Wechselspannung, so dass sekundärseitig ein gewünschtes Spannungsniveau entsprechend des eingestellten Übersetzungsverhältnis erzielt wird. Durch den Gleichrichter 29 wird ausgangseitig am Ausgang 23 eine störungsfreie oder brummfreie Elektrolyse-Gleichspannung bereitgestellt, mit der die Elektrolyseure 35A, 35B, 35C in der Elektrolyseanlage 1 stabil betrieben werden, wobei Edukt-Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird. Erdschleifen sind durch die galvanische Entkopplung wirkungsvoll vermieden. Durch den vorteilhaften direkten DC-Abschluss der Elektrolyseanlage 1 an die Windenergieanlage 31 ist zudem ein netzunabhängiger Inselbetrieb möglich und eine dezentrale Erzeugung von grünem Strom Onshore- oder Offshore je nach Anwendung. Der Anteil von erzeugtem grünem Wasserstoff ist dabei 100%.
Grundsätzlich ist auch ein DC-Anschluss der Elektrolyseanlage 1 an eine Fotovoltaikanlage oder an eine andere Erneuerbare-Energie-Anlage, beispielsweise eine so genannte CSP-Anlage (Concentrated-Solar-Power) oder an einen mittels erneuerbarer Energien beladenen Energiespeicher in dem Anlagenverbund 100 möglich. Für den Betrieb in einem Anlagenverbund 100 mit einem direkten Anschluss an eine Windenergieanlage 31 ist die Elektrolyseanlage 1 allerdings besonders aufgrund der gleichstromfähigen Schaltvorrichtung 6 vorteilhaft eingerichtet und sicher und flexibel betreibbar. Im Betrieb der Elektrolyseanlage 1 wird Edukt-Wasser über die Elektrolysemodule 3A, 3B den Elektrolysezellen 5 zugeführt und in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt.
2 zeigt in einem Ausschnitt eine Elektrolyseanlage 1 mit einem Elektrolyseur 35, der vier Elektrolysemodulen 3A, 3B, 3C, 3D sowie drei gleichstromfähige Schaltvorrichtungen 6 aufweist. Die Schaltvorrichtung 6 ist gegenüber der in 2 gezeigten Schaltvorrichtung 6 für einen flexiblen Betrieb der Elektrolyseanlage 1 weiter ausgebildet, insbesondere für einen Teillastbetrieb eines Elektrolyseurs 35 der Elektrolyseanlage 1.
Jedes der Elektrolysemodule 3A, 3B, 3C, 3D umfasst eine Vielzahl von axial gestapelten Elektrolysezellen 5. Die Elektrolysezellen 5 sind dabei zwischen zwei Druckplatten 37 angeordnet. Die Druckplatten 37 pressen die Elektrolysezellen 5, welche insbesondere eine Protonenaustauschmembran umfassen, innig und fest zusammen, so dass eine elektrische Kontaktierung zwischen benachbarten Elektrolysezellen 5 sowie ein fluiddichter Zellenstapel bewirkt sind. Die Druckplatten 37, welche am axialen Ende - also am Rand - des Elektrolyseurs 35 angeordnet sind, sind über einen elektrischen Anschluss 39 elektrisch an eine Gleichstromquelle angeschlossen. Zu den Elektrolysemodulen 3B, 3C und 3D des Elektrolyseurs 35 sind parallel drei Schaltvorrichtungen 6 angeordnet. Die Schaltvorrichtungen 6 sind dabei elektrisch parallel zu den Elektrolysemodulen 5 angeordnet. In diesem Beispiel ist durch entsprechende Schaltvorrichtungen 6 ein jeweiliges Elektrolysemodul 3B, 3C, 3D elektrisch überbrückbar. Dabei ist jede Schaltvorrichtung 6 mit denjenigen Druckplatten 37 elektrisch verbunden, die das entsprechende Elektrolysemodul 3B, 3C, 3D begrenzen.
In diesem Ausführungsbeispiel erfolgt in dem gezeigten Schaltzustand die Elektrolyse, insbesondere das Zerlegen von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff, in allen Elektrolysemodulen 3A, 3B, 3C, 3D des Elektrolyseurs 35, da alle Schaltvorrichtungen 6 geöffnet sind. Die Elektrolyse wird mit einem Gleichstrom durchgeführt. Die Schaltvorrichtungen 6 sind jeweils als gleichstromfähige Schaltvorrichtungen 6 ausgestaltet, so dass verschiedene Strompfade für eine Überbrückung zur Verfügung stehen.
Dabei ist im Vergleich zum Ausführungsbeispiel der 1 in der Elektrolyseanlage 1 der 2 in der Schaltvorrichtung 6 parallel zu dem Strompfad durch den zuschaltbaren Leistungswiderstand 7 ein weiterer Strompfad eingerichtet. Dieser weitere Strompfad weist ein weiteres Schaltelement 13 sowie eine Diode 15 in Vorwärtsrichtung und/oder einen niederohmigen Widerstand 17 in Reihe mit dem weiteren Schaltelement 13 auf. Der weitere Strompfad weist in einem geschlossenen Zustand einen geringeren elektrischen Widerstand auf als die Elektrolysezellen 5, so dass bei einer Überbrückung von Elektrolysezellen 5 eine Polarität und eine Schutzspannung für die Elektrolysezellen 5 aufrechterhalten ist. Hierbei sind verschiedene schaltungstechnische Realisierungen und auch Kombinationen für den weiteren Strompfad möglich. So ist etwa das Elektrolysemodul 3B und 3C über einen jeweiligen weiteren Strompfad überbrückbar, wobei über das weitere Schaltelement 13 der Strompfad nur über die entsprechende Diode 13 in Vorwärtsrichtung geschlossen werden kann. Das Elektrolysemodul 3D ist über einen niederohmigen Widerstand 17 bei Schließung des weiteren Schaltelements 13 überbrückbar, wodurch der entsprechende weitere Strompfad geschlossen wird. Die Diode 15 ist dabei in Vorwärtsrichtung in Reihenschaltung mit einem weiteren Schaltelement 13 verschaltet. Vorteilhaft werden die Polarität und eine Schutzspannung für die Elektrolysezellen 5 bzw. die Elektrolysemodule 3B, 3C, 3D bei einer Schließung des weiteren Strompfads aufrechterhalten. Es ist auch möglich, eine Kombination von Diode 13 und niederohmigem Widerstand 17 in einem weiteren Strompfad vorzusehen, eine ggf. vorteilhafte Schaltungsvariante, die in 2 nicht eigens gezeigt ist.
Die Elektrolyseanlage 1 weist eine Vielzahl von in Reihe geschalteter Elektrolysezellen 5 auf, so dass Elektrolysemodule 3A, 3B, 3C, 3D gebildet sind. Bei einer Aktivierung des weiteren Strompfads durch ein Schließen des weiteren Schaltelements 13 wird eine Überbrückung des entsprechenden Elektrolysemoduls 3B, 3C, 3D bewirkt, wobei eine Polarität und eine Schutzspannung für das überbrückte Elektrolysemodul 3B, 3C, 3D aufrechterhalten ist. Dies ist vor allem für einen Teillastbetrieb der Elektrolyseanlage 1 besonders vorteilhaft, der hierdurch verbessert wird. So können je nach Bedarf einzelne oder mehrere Elektrolysezellen 5, ein oder mehrere Elektrolysemodule 35 mittels des durch die Schaltvorrichtung 6 bereitgestellten weiteren Strompfads kurzgeschlossen werden und damit keinen Wasserstoff produzieren, d.h. außer Betrieb genommen werden. Dies sollte nur erfolgen, wenn ein schädigender Brennstoffzellenbetrieb - z.B. durch Verwendung eines Polgleichrichters, der vorteilhafterweise jede Zelle einzeln versorgt - vermieden ist. Somit ist im Zusammenwirken mit dem in der Schaltvorrichtung 6 parallel bereitgestellten Strompfad durch den Leistungswiderstand 7 sowohl ein Überlastbetrieb, etwa bei einer hohen Windstromeinspeisung, als auch ein Teillastbetrieb der Elektrolyseanlage 1 mit großer Betriebsflexibilität und Betriebssicherheit möglich. Auch kann eine evtl. erforderliche Notabschaltung von Elektrolysemodulen oder geplante Abschaltung, z.B. zu Servicezwecken, mit temporärer Stilllegung durch den Überbrückungsbetrieb sicher durchgeführt werden.
Die Elektrolyseanlage 1 wird in dem in 2 gezeigten Schaltzustand der Schaltvorrichtung 6 unter Volllast betrieben. Nimmt nun die elektrische Leistung im Netz, insbesondere aufgrund von wenig Wind und wenig Sonne ab, so kann wenigstens eine Schaltvorrichtung 6 geschlossen werden. Somit können modular die Elektrolysemodule 3B, 3C und 3D abgeschaltet bzw. über den weiteren Strompfad überbrückt werden. Im Beispiel der 2 wird das Elektrolysemodul 3A bei Betrieb der Elektrolyseanlage 1 stets betrieben. Es kann aber auch ein Überbrückungsstrompfad durch eine an das Elektrolysemodul 3A angeschlossene Schaltvorrichtung 6 vorgesehen sein. Werden nun im Betrieb in Abhängigkeit der zur Verfügung stehenden elektrischen Einspeiseleistung einzelne Elektrolysemodule 3B, 3C, 3D Module abgeschaltet bzw. überbrückt, so kann das Elektrolysemodul 3A mit einer konstanten Leistungsdichte etwa unter Volllast weiterbetrieben werden. Vorteilhaft wird somit keines der Elektrolysemodule 3A, 3B, 3C, 3D bzw. der Elektrolysezellen 5, in Teillast betrieben. Besonders vorteilhaft ist es, die Elektrolysemodule 3B, 3C, 3D zeitlich nacheinander zu überbrücken. Insbesondere kann zunächst Modul 3B für eine vorgegebene Zeitdauer überbrückt werden. Im Anschluss kann Elektrolysemodul 3C oder Elektrolysemodul 3D für eine entsprechende Zeitdauer überbrückt werden. Somit werden die Elektrolysemodule 3B, 3C, 3D gleichmäßig betrieben und belastet. Durch das Überbrücken über den weiteren Strompfad wird verhindert, dass die Elektrolysezellen 5 schnell altern. Weiterhin wird gewährleistet, dass die Produktgasqualität, insbesondere des Wasserstoffs, konstant hoch bleibt. Zugleich kann im Betrieb die zugeführte elektrische Leistung aber auch auf eine reduzierte Aufnahmeleistung der Elektrolyseanlage 1 flexibel angepasst werden, wobei der Elektrolysestrom reduziert und eine zeitlich abklingende Stromstärke über den Leistungswiderstand 7 herbeigeführt wird, indem dann wahlweise ein Strompfad über den Leistungswiderstand 7 geschlossen wird. Der weitere, parallele Strompfad über den niederohmigen Widerstand 17 bleibt dann offen.
In dem Ausführungsbeispiel der 2 weist der Elektrolyseur 35 vier Elektrolysemodule 3A, 3B, 3C, 3D auf. Dies ist eine vereinfachte Darstellung. Es ist ebenfalls im Sinne der Erfindung, dass eine größere Anzahl von Elektrolysemodulen in Reihe hintereinandergeschaltet werden. Ebenfalls ist es möglich, weitere gestaffelte Verschaltungen der Schaltvorrichtung 6 anzuordnen, um einerseits eine ausreichende Menge an Schaltvorrichtungen 6 bereitzustellen und andererseits eine zu große Anzahl an Schaltvorrichtungen 6 und damit Komplexität zu verhindern. Es ist auch eine Integration des Elektrolyseurs 35 in eine komplexe Elektrolyseanlage 1 mit mehreren entsprechenden Elektrolyseuren 35A, 35B, 35C sehr vorteilhaft möglich, wie in 1 bereits näher dargelegt. Dazu ist der elektrische Anschluss 39 in 2 mit dem Ausgang 23 des Gleichrichters 29 der in 1 gezeigten Elektrolyseanlage verbunden, so dass der Elektrolyseur 35 mit Gleichstrom versorgt wird.
Auch ist in analoger Weise wie in 1 dargelegt, eine Integration zu einem gesamten Anlagenverbund 100 umfassend eine Elektrolyseanlage 1 und eine direkt an die Elektrolyseanlage 1 angeschlossene Windenergieanlage 31 sehr vorteilhaft möglich. Hierzu weist die Windenergieanlage 31 einen Ausgang zur Bereitstellung von Gleichstrom auf, wobei der Ausgang an einen Eingang 21 der Elektrolyseanlage 1 angeschlossen ist. In dem Anlagenverbund 100 weist die Windenergieanlage 31 einen Gleichrichter 33 auf, der gleichstromseitig an den Eingang 21 der Elektrolyseanlage 1 angeschlossen ist. Es ist alternativ auch möglich, dass die erforderliche Gleichrichtung eines von der Windenergieanlage 31 originär im Generator erzeugten Wechselstroms in der Nähe der Elektrolyse selbst erfolgt. Dadurch ist es möglich, dass der Gleichrichter 33 an der Elektrolyseanlage 1 oder unmittelbar in deren Nähe platziert sein kann. Mithin kann der Gleichrichter 33 mit dem Ausgang für Gleichstrom zur Elektrolyse auch ein Anlagenbestandteil der Elektrolyseanlage 1 selbst sein oder als ein solches bei der konstruktiven Auslegung des Anlagenverbundes 100 funktional betrachtet werden.
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt. Variationen hiervon können vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung, wie er durch die nachfolgenden Patentansprüche definiert wird, zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3556905 A1 [0007]

Claims

Elektrolyseanlage (1) umfassend ein Elektrolysemodul (3A, 3B), wobei das Elektrolysemodul (3A, 3B) eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Elektrolysezellen (5) aufweist, und umfassend eine elektrisch parallel geschaltete gleichstromfähige Schaltvorrichtung (6), die einen zuschaltbaren Leistungswiderstand (7) aufweist, so dass in geschlossenem Zustand ein Strompfad durch den Leistungswiderstand (7) aktivierbar ist, so dass eine Überbrückung von Elektrolysezellen (5) bewirkt und überschüssige Leistung durch den Leistungswiderstand (7) ableitbar ist.
Elektrolyseanlage (1) nach Anspruch 1 umfassend mindestens zwei in Reihe geschaltete Elektrolysemodule (3A, 3B), die jeweils eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Elektrolysezellen (5) aufweisen.
Elektrolyseanlage (1) nach Anspruch 2, bei der durch die parallel geschaltete Schaltvorrichtung (6) in geschlossenem Zustand eine Überbrückung eines Elektrolysemoduls (3A) bewirkt ist.
Elektrolyseanlage (1) nach Anspruch 2 oder 3, bei der durch die Schaltvorrichtung (6) in geschlossenem Zustand eine Überbrückung mehrerer Elektrolysemodule (3A, 3B) bewirkt ist.
Elektrolyseanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Schaltvorrichtung (6) ein mechanisch schließbares Schaltelement (9A) aufweist, das insbesondere als elektrisch oder elektromagnetisch ansteuerbarer Schalter oder Schütz ausgestaltet ist.
Elektrolyseanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Schaltvorrichtung (6) als Schaltelement (9B) einen Thyristor (11) aufweist, so dass bei Zündung des Thyristors (11) der Strompfad durch den Leistungswiderstand (7) aktivierbar ist.
Elektrolyseanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der bei Schaltvorrichtung (6) das Schaltelement (9) als Halbleiterbauelement ausgestaltet ist, welches einen Insulated-Gate-Bipolar-Transistor (IGBT) aufweist, so dass bei Öffnung des Gates der Strompfad durch den Leistungswiderstand (7) aktivierbar ist.
Elektrolyseanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Leistungswiderstand (7) einstellbar oder regelbar ist.
Elektrolyseanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Leistungswiderstand (7) auf eine Überlast ausgelegt ist, so dass der Leistungswiderstand (7) bei einer Bestromung bis zu 5 Sekunden, insbesondere bis zu 10 Sekunden, bei einem abklingenden Strom betreibbar und überschüssige Leistung ableitbar ist.
Elektrolyseanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Schaltvorrichtung (6) parallel zu dem Strompfad durch den zuschaltbaren Leistungswiderstand (7) ein weiterer Strompfad vorgesehen ist, der ein weiteres Schaltelement (13) sowie eine Diode (15) in Vorwärtsrichtung und/oder einen niederohmigen Widerstand (17) in Reihe mit dem weiteren Schaltelement (13) aufweist und der in einem geschlossenen Zustand einen geringeren elektrischen Widerstand aufweist als die Elektrolysezellen (5), so dass bei einer Überbrückung von Elektrolysezellen (5) eine Polarität und eine Schutzspannung für die Elektrolysezellen (5) aufrechterhalten ist.
Elektrolyseanlage (1) nach Anspruch 10, aufweisend eine Mehrzahl von in Reihe geschalteter Elektrolysezellen (5), so dass ein Elektrolysemodul (3A) gebildet ist, so dass bei einer Aktivierung des weiteren Strompfads durch ein Schließen des weiteren Schaltelements (13) eine Überbrückung des Elektrolysemoduls (3A) bewirkt ist, wobei eine Polarität und eine Schutzspannung für das Elektrolysemodul (5) aufrechterhalten ist.
Elektrolyseanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend eine Anschlusseinheit (19) mit einem Eingang (21) zum Anschluss an eine externe Gleichstromquelle sowie mit einem Ausgang (23), der an das Elektrolysemodul (3A) angeschlossen ist, wobei die Anschlusseinheit (19) einen Transformator (25) aufweist, an den primärseitig ein Wechselrichter (27) und sekundärseitig ein Gleichrichter (29) angeschlossen ist, so dass ein Gleichstrom den Elektrolysemodulen (3A, 3B) zuführbar ist.
Verfahren zum Betrieb einer Elektrolyseanlage (1) zum Zerlegen von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff, bei dem eine Elektrolyseanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche bereitgestellt wird, wobei in einem Regelbetrieb wenigstens zwei Elektrolysemodulen (3A, 3B) ein Elektrolysestrom zugeführt wird, wobei Wasserstoff und Sauerstoff in dem Elektrolysemodul (3A, 3B) erzeugt wird, wobei bei einem Ausfall eines der Elektrolysemodule (3A, 3B) ein Überbrückungsbetrieb eingeleitet wird, wobei ein Strompfad durch den Leistungswiderstand (7) aktiviert wird, so dass das ausgefallene Elektrolysemodul (3A, 3B) überbrückt wird, und wobei die überschüssige Leistung durch den Leistungswiderstand (7) aufgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die zugeführte elektrische Leistung auf die reduzierte Aufnahmeleistung der Elektrolyseanlage (1) angepasst wird, wobei der Elektrolysestrom reduziert und eine zeitlich abklingende Stromstärke über den Leistungswiderstand (7) bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die zugeführte elektrische Leistung von einer Windenergieanlage (31) eingespeist wird, an die die Elektrolyseanlage (1) angeschlossen ist, wobei im Überbrückungsbetrieb der Anstellwinkel der Rotorblätter auf die Aufnahmeleistung der Elektrolyseanlage (1) angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, bei dem innerhalb von maximal 10 Sekunden, insbesondere innerhalb von maximal 5 Sekunden, der zugeführte Elektrolysestrom auf die reduzierte Aufnahmeleistung der Elektrolyseanlage (1) angepasst wird.
Anlagenverbund (100) umfassend eine Elektrolyseanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, und eine Windenergieanlage (31), wobei ein Ausgang zur Bereitstellung von Gleichstrom vorgesehen ist, wobei der Ausgang an einen Eingang (21) der Elektrolyseanlage (1) angeschlossen ist.
Anlagenverbund (100) nach Anspruch 17, bei der die Windenergieanlage einen Gleichrichter (33) aufweist, der gleichstromseitig an den Eingang (21) angeschlossen ist.