DE102014014091A1 - Method for operating an electrolyzer and electrolysis system - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Elektrolyseurs, bei dem eine Spannungsversorgung des Elektrolyseurs über eine mittels eines Gleichrichters gleichgerichtete, insbesondere dreiphasige Wechselspannung erfolgt und bei dem man die am Elektrolyseur angelegte Spannung mittels einer Spannungssteuerung einstellt, wobei die Spannungssteuerung wenigstens teilweise von dem Gleichrichter entkoppelt ist.The invention relates to a method for operating an electrolyzer in which a power supply of the electrolyzer is rectified by means of a rectifier rectified, in particular three-phase AC voltage and in which one adjusts the voltage applied to the electrolyzer by means of a voltage control, the voltage control at least partially decoupled from the rectifier is.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Elektrolyseurs, bei dem eine Spannungsversorgung des Elektrolyseurs über eine mittels eines Gleichrichters gleichgerichtete, insbesondere dreiphasige Wechselspannung erfolgt, und bei dem man die am Elektrolyseur angelegte Spannung mittels einer Spannungssteuerung einstellt.The invention relates to a method for operating an electrolyzer, in which a power supply of the electrolyzer is rectified by means of a rectifier rectified, in particular three-phase alternating voltage, and in which one adjusts the voltage applied to the electrolyzer by means of a voltage control.

Derartige Verfahren sind bekannt. Da bei der Elektrolyse im industriellen Maßstab ein sehr hoher Leistungs- und Strombedarf vorhanden ist, werden Elektrolyseure typischerweise an das Niederspannungsnetz angeschlossen, oder ggf. über einen Transformator an das Mittelspannungsnetz, und die dreiphasige Netzspannung wird durch einen Gleichrichter gleichgerichtet und auf diese Weise eine Spannungsversorgung des Elektrolyseurs bereitgestellt. Der besondere Vorteil der modernen Gleichrichtertechnik unter Einsatz von Thyristoren liegt darin, dass mittels des Gleichrichters auch eine Spannungssteuerung der am Elektrolyseur angelegten Spannung möglich ist, und durch Phasenansteuerung der elektronischen Schaltbausteine des Gleichrichters eine Spannungssteuerung für den Elektrolyseur realisiert ist. Beispielsweise wird durch Einstellung des Gleichrichters die Spannung auf einen unterhalb der vom Gleichrichter lieferbaren Spannungswert abgesenkt, um den Elektrolyseur mit einer gewünschten Spannung zu beaufschlagen, und bei zunehmender Degradation des Elektrolyseurs wird zur Beibehaltung eines gewünschten Arbeitspunktes die Ausgangsspannung am Gleichrichter durch Änderung der Phasenansteuerung hochgeregelt.Such methods are known. As in the electrolysis on an industrial scale, a very high power and power consumption is present, electrolysers are typically connected to the low voltage network, or possibly via a transformer to the medium voltage network, and the three-phase mains voltage is rectified by a rectifier and in this way a power supply provided by the electrolyzer. The particular advantage of modern rectifier technology using thyristors is that a voltage control of the voltage applied to the electrolyzer voltage is possible by means of the rectifier, and a voltage control for the electrolyzer is realized by phase control of the electronic switching components of the rectifier. For example, by adjusting the rectifier, the voltage is lowered to a below the voltage supplied by the rectifier to pressurize the electrolyzer with a desired voltage, and with increasing degradation of the electrolyzer to maintain a desired operating point, the output voltage at the rectifier is up-regulated by changing the phase control.

Der Regelbereich derartiger mittels z. B. Thyristorbrücken gesteuerter Gleichrichter liegt etwa im Bereich von 20 bis 100%. Sie erlaubt somit auch eine Spannungssteuerung im Verlaufe des Betriebs eines Elektrolyseurs, beispielsweise vom Stapeltyp, oder einer Mehrzahl kombinierter solcher Elektrolyseure, wenn deren Innenwiderstand aufgrund beispielsweise höherer Elektrolyttemperatur sinkt. Ein Beispiel für einen solchen gesteuerten Gleichrichter ist ein auf einer Zwölfpuls-Schaltung basierender Gleichrichter, dessen DC-Spannungsausgang sich bei 3-Phasen-Wechselspannung abhängig vom Steuerwinkel α der Phasensteuerung ergibt zu UDC = 1,35 UAC × cosα, wobei der Steuerwinkel α als elektrischer Impuls von einer Ansteuerelektronik auf die Thyristorgates gegeben wird.The control range such means z. B. thyristor bridges controlled rectifier is approximately in the range of 20 to 100%. It thus also allows a voltage control in the course of the operation of an electrolyzer, for example of the stack type, or a plurality of combined such electrolyzers, if their internal resistance decreases due to, for example, higher electrolyte temperature. An example of such a controlled rectifier is a twelve-pulse circuit-based rectifier whose DC voltage output at 3-phase AC voltage depends on the control angle α of the phase control to U DC = 1.35 U AC × cosα, where the control angle α is given as an electrical pulse from a control electronics to the thyristor gates.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art weitergehend zu verbessern, insbesondere im Hinblick auf eine geeignete Einbindung des Verfahrens in die Spannungsversorgung des Elektrolyseurs aus dem Netz.The invention has for its object to further improve a method of the type mentioned, in particular with regard to a suitable integration of the process in the power supply of the electrolyzer from the network.

Diese Aufgabe wird von der Erfindung durch eine Weiterbildung des Verfahrens der eingangs genannten Art gelöst, das im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet ist, dass die Spannungssteuerung wenigstens teilweise von dem Gleichrichter entkoppelt ist.This object is achieved by the invention by a development of the method of the type mentioned, which is characterized essentially in that the voltage control is at least partially decoupled from the rectifier.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist somit eine Spannungssteuerung des Elektrolyseurs möglich, die den Gleichrichter entlastet und insbesondere eine Phasenansteuerung von dessen Komponenten oder ansteuerbare Komponenten entbehrlich macht. Auf diese Weise kann eine anderweitig aufgrund der Phasenansteuerung des Gleichrichters in das Netz rückgekoppelte Blindleistung verringert oder sogar vermieden und dennoch eine gewünschte Spannungssteuerung am Elektrolyseur beibehalten werden. In einer möglichen Ausführungsform kann die Entkopplung vollständig sein, der Gleichrichter liefert dann selbst keine Steuerungsmöglichkeiten mehr für die Elektrolyseurspannungssteuerung.In the solution according to the invention thus a voltage control of the electrolyzer is possible, which relieves the rectifier and in particular makes a phase control of its components or controllable components unnecessary. In this way, a reactive power fed back into the network due to the phase control of the rectifier can be reduced or even avoided and yet a desired voltage control can be maintained at the electrolyzer. In one possible embodiment, the decoupling can be complete, the rectifier then provides itself no more control options for the Elektrolyseurspannungssteuerung.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens unterliegt der Ladungsabgang einer Elektrolyseur-Endplatte aufgrund der Spannungssteuerung auf einer Zeitskale von weniger als 0,0025 s Schwankungen, insbesondere mit Schwankungsamplitude von mehr als 5%, bevorzugt mehr als 10%, insbesondere mehr als 15%, bezogen auf den Ladungsabgang im zeitlichen Mittel, und/oder von weniger als 70%, bevorzugt weniger als 50%. Im zeitlichen Mittel über größere Zeitskalen sind die Schwankungen daher kaum sichtbar, und der Elektrolyseur liefert einen konstanten Wasserstoffstrom, aber auf einem geringeren Niveau als ohne Schwankungen, beispielsweise wenn der zeitliche Ladungsabgang konstant auf Maximalniveau wäre.In a preferred embodiment of the method, the charge output of an electrolyzer end plate is subject to fluctuations due to the voltage control on a time scale of less than 0.0025 s, in particular with a fluctuation amplitude of more than 5%, preferably more than 10%, in particular more than 15% on the charge on average, and / or less than 70%, preferably less than 50%. Therefore, in the time average over larger time scales, the fluctuations are barely visible, and the electrolyzer delivers a constant flow of hydrogen, but at a lower level than without fluctuations, for example, if the temporal charge output would be constant at maximum level.

In diesem Zusammenhang ist in einer bevorzugten Verfahrensgestaltung vorgesehen, daß man bei der Spannungssteuerung den den Elektrolyseur und den Gleichrichter verbindenden Stromkreis wiederkehrend unterbricht. Die Anzahl der wiederkehrenden Unterbrechungen pro Sekunde sollte dabei im Durchschnitt größer als 400, bevorzugt größer als 1000, insbesondere größer als 2000 sein.In this context, it is provided in a preferred process design that interrupts the voltage connecting the electrolyzer and the rectifier circuit recurring. The number of recurring interruptions per second should be on average greater than 400, preferably greater than 1000, in particular greater than 2000.

In einer Verfahrensvariante ist zudem vorgesehen, daß ein Zyklus beginnend mit einer Unterbrechung und endend vor der nächsten Unterbrechung periodisch mit einer Frequenz von kleiner als 40 kHz, bevorzugt kleiner als 25 kHz, insbesondere kleiner als 10 kHz erfolgt. Es ergibt sich ein geeignetes Zusammenspiel von Ladungszustand auf den Elektrolyseur-Endplatten und deren Wiederaufladung in den Zeitabschnitten ununterbrochener Leitungsverbindung zwischen Elektrolyseur und Gleichrichter.In a variant of the method, it is additionally provided that a cycle commencing with an interruption and ending before the next interruption occurs periodically at a frequency of less than 40 kHz, preferably less than 25 kHz, in particular less than 10 kHz. The result is a suitable interaction of state of charge on the electrolyzer end plates and their recharging in the periods of uninterrupted line connection between the electrolyzer and rectifier.

Dabei wird bevorzugt vorgesehen, daß ein Verhältnis der Zeitspannen mit und ohne Unterbrechung zum Erreichen einer gewünschten am Elektrolyseur anliegenden Spannung abgestimmt in dem Intervall von 0,2 bis 3 liegt, bevorzugt in dem Intervall von 0,3 bis 2, insbesondere in dem Intervall von 0,4 bis 1,5. Damit wird eine stabile Wiederaufladedynamik für die in den Zeitabschnitten unterbrochener Verbindung Ladung verlierenden Elektrolyseur-Endplatten erreicht. Wäre beispielsweise die angelegte Spannung ohne Spannungsunterbrechung U = Umax, und dieses Zeitspannenverhältnis wird mit x bezeichnet, so ergibt sich eine am Elektrolyseur effektiv anliegende Spannung von Ueff = Umax[x/(1 + x)]. Für die Spannungsverringerung werden in diesem Zusammenhang insbesondere Werte bevorzugt, die dazu führen, daß das Verhältnis aus der aufgrund der Spannungssteuerung im zeitlichen Mittel im Elektrolyseur angelegte Spannung zu der gleichgerichteten Versorgungsspannung kleiner ist als 90%, bevorzugt kleiner als 85%, insbesondere kleiner als 80% und/oder größer ist als 20%, bevorzugt als 30%, insbesondere als 40%. Diese Werte gelten insbesondere dann, wenn die Spannungssteuerung auf eine möglichst blindleistungsrückeinspeisungsreduzierende Nutzung der zur Verfügung stehenden elektrischen Leistung abgestimmt ist. Es ist jedoch auch denkbar, ein Feintuning der Spannungssteuerung vorzusehen, bei dem nur ein Spannungsunterschied von weniger als 5%, auch weniger als 3%, insbesondere weniger als 2% angestrebt wird. It is preferably provided that a ratio of the time periods with and without interruption to achieve a desired voltage applied to the electrolyzer voltage in the interval of 0.2 to 3, preferably in the interval of 0.3 to 2, in particular in the interval of 0.4 to 1.5. This achieves stable recharging dynamics for the charge losing electrolyzer end plates during the intermittent connection periods. If, for example, the applied voltage without voltage interruption U = U max , and this time span ratio is denoted by x, the result is a voltage of U eff = U max [x / (1 + x)] which is effectively applied to the electrolyzer. For the voltage reduction, in particular values are preferred in this context which lead to the ratio of the voltage applied in the electrolyzer on average over time to the rectified supply voltage being less than 90%, preferably less than 85%, in particular less than 80 % and / or greater than 20%, preferably as 30%, in particular as 40%. These values apply in particular when the voltage control is tuned to a utilization of the available electrical power that is as blind as possible in terms of reactive power backfeed. However, it is also conceivable to provide a fine tuning of the voltage control, in which only a voltage difference of less than 5%, even less than 3%, in particular less than 2% is sought.

In einer bevorzugten Verfahrensgestaltung wirkt die entkoppelte Spannungssteuerung nahe wenigstens einer Endplatte des Elektrolyseurs. Letzterer ist üblicherweise bei größeren Anlagen räumlich vom Gleichrichter und Trafo getrennt, wobei die entsprechenden Übertragungsleitungen über z. B. entsprechend ausgelegte Kabel oder Sammelschienen zu dem Elektrolyseur geführt werden. Räumlich gesehen ist die Spannungssteuerung diesbezüglich mehr dem Elektrolyseur zugeordnet als dem Gleichrichter, insbesondere ist vorstellbar, daß entsprechende Schaltungen der Spannungssteuerung dem Elektrolyseur räumlich nahe angeordnet sind, beispielsweise auch unmittelbar an den Elektrolyseur-Endplatten angeordnet sind.In a preferred process design, the decoupled voltage control acts close to at least one end plate of the electrolyzer. The latter is usually physically separated from the rectifier and transformer in larger systems, with the corresponding transmission lines over z. B. appropriately designed cable or busbars are led to the electrolyzer. Spatially speaking, the voltage control in this regard is more associated with the electrolyzer than the rectifier, in particular it is conceivable that corresponding circuits of the voltage control are arranged spatially close to the electrolyzer, for example, are also arranged directly on the electrolyzer end plates.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird ein in der Endplatte von innen nach außen bestehender Temperaturgradient durch die Betätigung der Spannungssteuerung vermindert. D. h., daß durch Abwärmeerzeugung der Spannungssteuerung die Elektrolyseur-Endplatte von außen einen den Temperaturgradient innerhalb der Platte vermindernden Wärmezufluß erhält, wodurch letztlich ein Wärmeverlust im Elektrolyt vermindert und entsprechendes Nachheizen nur in geringerem Ausmaße erforderlich wird.In one embodiment of the method, a temperature gradient existing in the end plate from the inside to the outside is reduced by the actuation of the tension control. D. h. That by heat generation of the voltage control, the electrolyzer end plate receives from the outside a temperature gradient within the plate reducing heat flow, which ultimately reduces heat loss in the electrolyte and corresponding reheating is required only to a lesser extent.

Bevorzugt erfolgt die Bereitstellung der gleichgerichteten Wechselspannung über eine Transformation aus dem Mittelspannungsnetz. Mittelspannungssysteme in der Größenordnung von etwa 20 kV und entsprechend niedrigem Strom führen aufgrund der Transformation zu den für die Elektrolyseure benötigten hohen Stromstärken im Bereich von mehreren kA.The provision of the rectified AC voltage preferably takes place via a transformation from the medium-voltage network. Due to the transformation, medium-voltage systems of the order of magnitude of approximately 20 kV and correspondingly low current lead to the high currents of several kA required for the electrolysers.

Besonders bevorzugt wird mittels der Elektrolyse Wasserstoff hergestellt, wobei es sich insbesondere um die Elektrolyse von Wasser handelt. Insbesondere wird bevorzugt, daß sich an die Wasserstoffherstellung eine katalytische Methanisierung des so hergestellten Wasserstoffs mit einem in Form eines Kohlenoxids, insbesondere Kohlendioxid enthaltenen Gas durchgeführt wird, welches mit dem Wasserstoff zusammengeführt wird.Particularly preferably, hydrogen is produced by means of the electrolysis, which is in particular the electrolysis of water. In particular, it is preferred that a catalytic methanation of the hydrogen thus produced is carried out on the hydrogen production with a gas contained in the form of a carbon monoxide, in particular carbon dioxide, which is combined with the hydrogen.

In vorrichtungstechnischer Hinsicht wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch eine Anordnung zum Betreiben eines Elektrolyseurs, mit einem eine in Form einer Wechselspannung bereitgestellten Spannungsversorgung gleichrichtenden Gleichrichter und einer die am Elektrolyseur angelegte Spannung einstellenden Spannungssteuerung, die im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet ist, daß die Spannungssteuerung wenigstens teilweise von dem Gleichrichter entkoppelt ist.In device technical terms, the object of the invention is achieved by an arrangement for operating an electrolyzer, with a rectifier provided in the form of an AC voltage rectifying rectifier and a voltage applied to the electrolyzer tension adjusting voltage control, which is characterized essentially in that the voltage control at least partially is decoupled from the rectifier.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung ergeben sich aus den obigen Erläuterungen zum erfindungsgemäßen Verfahren.The advantages of the arrangement according to the invention will become apparent from the above explanations of the inventive method.

So ist bei der Anordnung insbesondere vorgesehen, daß die Spannungssteuerung ein vom Gleichrichter beabstandetes erstes Schaltungsteil aufweist, welches auf einer Zeitskala von weniger als 0,0025 s Schwankungen der am Elektrolyseur angelegten Spannung mit insbesondere Schwankungsamplituden von mehr als 40%, bevorzugt mehr als 60%, insbesondere mehr als 80% bezogen auf die im zeitlichen Mittel angelegte Spannung bewirkt.Thus, it is provided in the arrangement, in particular, that the voltage control comprises a first circuit part spaced from the rectifier, which on a time scale of less than 0.0025 s fluctuations in the voltage applied to the electrolyzer with particular fluctuation amplitudes of more than 40%, preferably more than 60% , in particular more than 80% based on the voltage applied over the mean time.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das erste Schaltungsteil ein Transistor, insbesondere ein IGBT. Dieser eignet sich besonders gut insbesondere für diejenigen Fälle, in denen einen wiederkehrende Stromkreisunterbrechung Bestandteil der Spannungssteuerung ist.In a particularly preferred embodiment, the first circuit part is a transistor, in particular an IGBT. This is particularly well suited in particular for those cases in which a recurrent circuit interruption is part of the voltage control.

In einer besonders bevorzugten Ausführung weist die Spannungssteuerung wenigstens ein zweites Schaltungsteil zur Spannungseinstellung eines zweiten Elektrolyseurs auf, das an denselben Gleichrichter ankoppelt wie das erste Schaltungsteil. Bei dieser Anordnung ist somit für die wenigstens zwei Elektrolyseure eine zentrale Gleichstromversorgung vorgesehen. Dies erlaubt somit einen unkomplizierten Aufbau und einen zuverlässigen Betrieb der Anordnung. Als Gleichrichter wird insbesondere an einen Mehrpuls-, insbesondere Zwölfpulsdiodengleichrichter gedacht. Dieser minimiert Rückwirkungen auf das speisende Netz beispielsweise in Bezug auf Blindleistung und Oberschwingungen. Aufgrund der Spannungssteuerung über die entkoppelten Schaltungsteile insbesondere ausschließlich im Gleichstromteil wird somit die die elektrische Leistung bereitstellende Drehstromanlage von den gleichstromseitigen geregelten Verbrauchern abgekoppelt.In a particularly preferred embodiment, the voltage control has at least a second circuit part for voltage adjustment of a second electrolyzer, which couples to the same rectifier as the first circuit part. In this arrangement, a central DC power supply is thus provided for the at least two electrolyzers. This allows a straightforward structure and reliable operation of the Arrangement. As a rectifier particular thought is a multi-pulse, in particular twelve-pulse diode rectifier. This minimizes repercussions on the supply network, for example with regard to reactive power and harmonics. Due to the voltage control via the decoupled circuit parts, in particular exclusively in the DC part, the three-phase current system providing the electric power is thus decoupled from the DC-side regulated consumers.

Insbesondere ist vorgesehen, daß zwei, aber auch mehr als zwei, insbesondere mehr als vier, durchaus auch mehr als sechs, insbesondere auch mehr als zwölf Elektrolyseure an denselben Gleichrichter ankoppeln, unter Berücksichtigung der Transformatorleistung und der des Diodengleichrichters, die nicht überschritten werden dürfen. Dabei können, müssen aber nicht alle anzukoppelnden Elektrolyseure ein solches spannungssteuerndes Schaltungsteil zugeordnet haben. So ist es auch denkbar, wenigstens einen, durchaus auch mehrere, insbesondere wenigstens alle bis auf zwei, oder alle bis auf einen Elektrolyseur ohne ein solches Schaltungsteil auszustatten.In particular, it is envisaged that two, but also more than two, in particular more than four, certainly also more than six, in particular more than twelve electrolyzers couple to the same rectifier, taking into account the transformer power and the diode rectifier, which must not be exceeded. It may, but not all have to be coupled electrolyzers associated with such a voltage-controlling circuit part. So it is also conceivable to equip at least one, quite several, in particular at least all but two, or all but one electrolyzer without such a circuit part.

Andererseits kann auch jeder der an denselben Gleichrichter angekoppelten Elektrolyseure mit einem solchen Schaltungsteil versehen sein. Bei Maximallast, die auch abgerufen werden soll, werden alle Elektrolyseure zugeschaltet. Bei geringerer Lastabnahme ist insbesondere vorgesehen, daß zuerst die Elektrolyseure zugeschaltet werden, die am wenigsten degradiert sind und auf diese Weise insbesondere eine gleichmäßige Degradation aller Elektrolyseure erreicht.On the other hand, each of the electrolyzers coupled to the same rectifier can also be provided with such a circuit part. At maximum load, which should also be retrieved, all electrolysers are switched on. At a lower load decrease is particularly provided that the first electrolysers are switched on, which are the least degraded and achieved in this way, in particular, a uniform degradation of all electrolyzers.

Dieser Aspekt wird von der Erfindung auch als unabhängig schutzwürdig angesehen und entsprechend offenbart. Die Erfindung betrifft somit ebenfalls ein Verfahren zum Betreiben einer Anordnung mit wenigstens zwei Elektrolyseuren, die weiter eine in Form einer Wechselspannung bereitgestellte Spannungsversorgung gleichrichtenden Gleichrichter aufweist und wenigstens zwei einem jeweiligen Elektrolyseur zuzuordnende Schaltungsteile, die mit dem Gleichrichter verbunden sind und den ihnen zugeordneten Elektrolyseur von dem Gleichrichter ab- und ankoppeln können, wobei die An- und Abkopplung in Abhängigkeit der den Verschleiß der zugeordneten Elektrolyseure betreffenden Zustände derart erfolgt, daß die Summe der (geeignet erfaßten) Verschleißunterschiede verringert wird.This aspect is also considered by the invention to be worthy of protection and accordingly disclosed. The invention thus also relates to a method for operating an arrangement with at least two electrolyzers, which further comprises a voltage rectifier provided in the form of an alternating voltage and at least two circuit parts to be assigned to a respective electrolyzer, which are connected to the rectifier and the electrolyzer associated therewith Rectifier off and can couple, the coupling and decoupling depending on the conditions of wear of the associated electrolyzer states such that the sum of (suitably detected) wear differences is reduced.

Die erfindungsgemäße(n) Anordnung(en) sind zweckmäßig mit einer ein Steuerprogramm beinhaltenden Steuerung ausgestattet, mit dem die Anordnung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der oben erläuterten Verfahrensaspekte gesteuert wird.The arrangement (s) according to the invention are expediently equipped with a control program which includes a control program with which the arrangement for carrying out a method according to one of the above-explained method aspects is controlled.

Des Weiteren sieht die Erfindung eine eine solche Anordnung beinhaltende Elektrolyseanlage, also eine Elektrolyseanlage mit wenigstens einem, bevorzugt wenigstens zwei Elektrolyseuren, insbesondere vom Stapel-Typ, die durch eine Anordnung nach einem der oben genannten Aspekte gekennzeichnet ist.Furthermore, the invention provides an electrolysis system comprising such an arrangement, that is to say an electrolysis system having at least one, preferably at least two, electrolyzers, in particular of the stack type, which is characterized by an arrangement according to one of the abovementioned aspects.

Bei einer solchen Elektrolyseanlage ist insbesondere vorgesehen, daß ein/die Schaltungsteil(e) an einer Endplatte des jeweilig zugehörigen Elektrolyseurs angeordnet ist/sind. Bevorzugt bewegt sich die abnehmbare Leistung der Elektrolyseanlage im Bereich zwischen 200 kW und 8 MW. Dabei ist bevorzugt vorgesehen, daß die Gesamtleistung der Elektrolyseure (Teileinheiten), die an denselben Gleichrichter angekoppelt sind, wenigstens 1 MW beträgt, insbesondere auch wenigstens 1.5 MW. Die oben genannte Maximallast muß nicht zwingend ausgereizt werden, zweckmäßigerweise können auch bei vergleichsweise großen Anlagen eine maximale Leistung auf 4 MW oder weniger, insbesondere 2,4 MW oder weniger gestaltet sein.In such an electrolysis plant is provided in particular that a / the circuit part (s) is arranged on an end plate of the respective associated electrolyzer / are. The removable power of the electrolysis plant preferably ranges between 200 kW and 8 MW. It is preferably provided that the total power of the electrolyzers (subunits), which are coupled to the same rectifier, is at least 1 MW, in particular at least 1.5 MW. The above-mentioned maximum load does not necessarily have to be maxed out; expediently, even with comparatively large systems, a maximum power can be designed to be 4 MW or less, in particular 2.4 MW or less.

Für einen einzelnen Elektrolyseur vom Stapeltyp, also eine Teileinheit einer solchen Anlage, wird bevorzugt, daß dessen Leistung wenigstens 100 KW, insbesondere wenigstens 200 KW beträgt, andererseits aber bevorzugt 500 KW nicht überschreitet, insbesondere 400 KW nicht überschreitet.For a single stack type electrolyzer, ie a subunit of such a system, it is preferred that its power is at least 100 KW, in particular at least 200 KW, but on the other hand preferably does not exceed 500 KW, in particular does not exceed 400 KW.

Eine derartige Anlage erlaubt eine vorteilhafte Stromversorgung der einzelnen Teileinheiten und ist insbesondere im Aufbau vergleichsweise unkompliziert und erweist sich im Betrieb wie auch in der Handhabung als zuverlässig. Schließlich betrifft die Erfindung noch eine Methanisierungsanlage mit einem Methaniseur zum katalytischen Methanisieren von durch Elektrolyse erzeugtem Wasserstoff nach dessen Zusammenführung mit einem Kohlenstoff in Form eines Kohlenoxids, insbesondere kohlendioxidhaltigen Gases, die durch eine den Wasserstoff erzeugende Elektrolyseanlage nach einem der oben genannten Aspekte gekennzeichnet ist.Such a system allows an advantageous power supply of the individual subunits and is relatively uncomplicated especially in construction and proves to be reliable in operation as well as in handling. Finally, the invention also relates to a methanization plant with a methanizer for the catalytic methanization of hydrogen produced by electrolysis after its combination with a carbon in the form of a carbon monoxide, in particular carbon dioxide-containing gas, which is characterized by a hydrogen-producing electrolysis plant according to one of the above aspects.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Figuren, von denenFurther details, features and advantages of the invention will become apparent from the description with reference to the accompanying figures, of which

1 eine überblicksartige Darstellung einer Elektrolyseanlage zeigt, 1 shows an overview of an electrolysis system,

2 eine Gleichrichteranordnung und deren Ankopplung an Elektrolyseeinheiten zeigt, 2 shows a rectifier arrangement and its coupling to electrolysis units,

3 ein Ersatzschaltbild für einen an eine Gleichstromquelle angekoppelten Elektrolyseur mit Schaltungsteil zeigt, 3 an equivalent circuit diagram for a coupled to a DC power source electrolyzer with circuit part shows

4 Strom- und Spannungsverläufe bei einer ersten Beschaltungssteuerung zeigt, und 4 Current and voltage curves in a first Beschaltungssteuerung shows, and

5 Strom- und Spannungsverläufe bei einer zweiten Beschaltungssteuerung zeigt. 5 Current and voltage curves in a second Beschaltungssteuerung shows.

Die in 1 in einem Systemüberblick dargestellte Elektrolyseanlage 100 ist über eine Schaltung 90 an das Mittelspannungsnetz angeschlossen. Das Mittelspannungsniveau (Primärspannung) von etwa 20 KV wird durch Transformator 80 auf ein Sekundärspannungsniveau von in diesem Ausführungsbeispiel 220 V AC heruntertransformiert. An der Sekundärseite des Transformators ist ein zentraler Diodengleichrichter 70 angekoppelt, der die eingangsseitige Primärspannung 220 V AC in in diesem Ausführungsbeispiel 300 V Gleichstrom (DC) wandelt. Der Gleichrichter 70 ist ein Zwölfpulsdiodengleichrichter, der auf eine Leistung von in diesem Ausführungsbeispiel 2 MW ausgelegt ist.In the 1 in a system overview illustrated electrolysis plant 100 is about a circuit 90 connected to the medium voltage network. The medium voltage level (primary voltage) of about 20 kV is through transformer 80 down to a secondary voltage level of 220 V AC in this embodiment. On the secondary side of the transformer is a central diode rectifier 70 coupled, which converts the input side primary voltage 220 V AC in this embodiment, 300 V DC (DC). The rectifier 70 is a twelve-pulse diode rectifier designed to have a power of 2 MW in this embodiment.

Über Verteilung 60 sind in diesem Ausführungsbeispiel sechs Elektrolyseure vom Stapel-Typ 10a bis 10f in Parallelschaltung angekoppelt. An einer Endplatte 5i eines jeden Elektrolyseurs 10i ist ein IGBT 1i angeordnet, über die eine Spannungssteuerung des zugehörigen Elektrolyseurs 10i mittels einer zentralen Steuerung 99 durchgeführt wird. Eine genauere Darstellung der Ankopplung des Diodengleichrichters mit den Stern- und Dreieckschaltungen des Transformators ist in 2 dargestellt.About distribution 60 In this embodiment, there are six stack type electrolyzers 10a to 10f connected in parallel. At an end plate 5i of every electrolyzer 10i is an IGBT 1i arranged, via which a voltage control of the associated electrolyzer 10i by means of a central control 99 is carried out. A more detailed description of the coupling of the diode rectifier with the star and delta circuits of the transformer is in 2 shown.

3 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Elektrolyseurs, der selbst aus einer Anzahl von Elektrodenplatten aufgebaut ist, wie dem Fachmann bekannt. Im Ersatzschaltbild von 3 lassen sich diese einzelnen Platten in Form von Parallel- und Serienschaltungen von Kapazitäten und Widerständen darstellen. Ein IGBT 1i wird von der Steuerung 99 zu einer Chopper-Steuerung veranlaßt, d. h. einer wiederkehrenden Unterbrechung der Verbindung zwischen dem Elektrolyseur 10i zum Gleichrichter 70, siehe auch die unten erläuterten 4 und 5. In der Einschaltzeit te werden die Kapazitäten aufgeladen und in der Ausschaltzeit ta entsprechend entladen. Aufgrund der Trägheit des physikalischen Elektrolysesystems einerseits und den hohen Taktfrequenzen zwischen Einschaltzeit und Ausschaltzeit von in diesem Ausführungsbeispiel 4 kHz ergibt sich trotz der Schaltung durch den IGBT 1i ein kontinuierlicher Stromfluß im Elektrolyseur, der im zeitlichen Mittel aus dem Quotient Ueff zum Innenwiderstand des Elektrolyseurs bestimmt ist. 3 shows an equivalent circuit diagram of an electrolyzer, which itself is composed of a number of electrode plates, as known in the art. In the equivalent circuit diagram of 3 These individual plates can be represented in the form of parallel and series circuits of capacitors and resistors. An IGBT 1i is from the controller 99 to a chopper control causes, ie a recurrent interruption of the connection between the electrolyzer 10i to the rectifier 70 , see also the below explained 4 and 5 , During the switch-on time t e , the capacities are charged and correspondingly discharged in the switch-off time t a . Due to the inertia of the physical electrolysis system on the one hand and the high clock frequencies between on-time and off-time of 4 kHz in this embodiment results despite the circuit through the IGBT 1i a continuous current flow in the electrolyzer, which is determined in the time average of the quotient U eff to the internal resistance of the electrolyzer.

Die am Elektrolyseur 10i im zeitlichen Mittel angelegte Spannung Ueff ergibt sich wiederum aus der Charakteristik der chopperartigen Schaltung der IGBTs 1i. So wird beispielsweise in 4 ein Tastverhältnis von te/(ta + te) von 1:2 eingestellt, die Effektivspannung Ueff beträgt somit nur die Hälfte der Maximalspannung Umax. Ebenfalls dargestellt ist in 4 der Stromverlauf, der die Aufladung und Entladung der Kapazitäten wiedergibt. Bei der Spannungssteuerung gemäß 5 ist dagegen die Einschaltzeit doppelt so lang wie die Ausschaltzeit, wodurch sich eine entsprechend höhere Effektivspannung Ueff ergibt.The electrolyser 10i in the mean time applied voltage U eff in turn results from the characteristic of the chopper-like circuit of the IGBTs 1i , For example, in 4 a duty cycle of t e / (t a + t e ) of 1: 2 set, the effective voltage U eff is thus only half of the maximum voltage U max . Also shown in 4 the current waveform representing the charging and discharging of the capacities. In the voltage control according to 5 On the other hand, the turn-on time is twice as long as the switch-off time, resulting in a correspondingly higher effective voltage U eff .

Die Spannungssteuerung der einzelnen Elektrolyseure 10a, ..., 10f erfolgt somit vollständig entkoppelt vom Zwölf-Puls-Diodengleichrichter 70, der ungesteuert kaum nennenswerte Blindleistungsrückeinspeisungen ins Netz verursacht. Zudem lassen sich die einzelnen Elektrolyseure 10i ohne Einfluß auf den Gleichrichter 70 zu beispielsweise einer gleichmäßigen Degradation steuern.The voltage control of the individual electrolyzers 10a , ..., 10f is thus completely decoupled from the twelve-pulse diode rectifier 70 , which caused uncontrolled hardly any significant reactive power feed back into the grid. In addition, the individual electrolysers can be 10i without influence on the rectifier 70 to control, for example, a uniform degradation.

Die Erfindung ist nicht auf die in der Figurenbeschreibung dargestellten Einzelheiten eingeschränkt. Vielmehr können die einzelnen Merkmale der nachfolgenden Ansprüche sowie der obigen Beschreibung einzeln oder in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.The invention is not limited to the details shown in the figure description. Rather, the individual features of the following claims as well as the above description, individually or in combination, may be essential to the practice of the invention in its various embodiments.

Claims (20)

Verfahren zum Betreiben eines Elektrolyseurs (10a, ..., 10f), bei dem eine Spannungsversorgung des Elektrolyseurs über eine mittels eines Gleichrichters (70) gleichgerichtete, insbesondere dreiphasige Wechselspannung erfolgt, und bei dem man die am Elektrolyseur angelegte Spannung mittels einer Spannungssteuerung (1a, ..., 1f) einstellt, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungssteuerung wenigstens teilweise von dem Gleichrichter entkoppelt ist.Method for operating an electrolyzer ( 10a , ..., 10f ), in which a power supply of the electrolyzer via a rectifier ( 70 ) rectified, in particular three-phase alternating voltage takes place, and in which the voltage applied to the electrolyzer by means of a voltage control ( 1a , ..., 1f ), characterized in that the voltage control is at least partially decoupled from the rectifier. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Ladungsabgang einer Elektrolyseur-Endplatte aufgrund der Spannungssteuerung auf einer Zeitskala von weniger als 0,0025 Sekunden Schwankungen unterliegt, insbesondere mit Schwankungsamplitude von mehr als 5%, bevorzugt mehr als 10%, insbesondere mehr als 15%, bezogen auf den Ladungsabgang im zeitlichen Mittel, und/oder von weniger als 70%, bevorzugt weniger als 50%.The method of claim 1, wherein the charge output of an electrolyzer end plate is subject to fluctuations due to the voltage control on a time scale of less than 0.0025 seconds, in particular with a fluctuation amplitude of more than 5%, preferably more than 10%, in particular more than 15%, based on the charge on average, and / or less than 70%, preferably less than 50%. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem man bei der Spannungssteuerung den den Elektrolyseur und den Gleichrichter verbindenden Stromkreis wiederkehrend unterbricht.Method according to Claim 1 or 2, in which the voltage control periodically interrupts the electric circuit connecting the electrolyzer and the rectifier. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Anzahl der wiederkehrenden Unterbrechungen pro Sekunde im Durchschnitt größer als 400, bevorzugt größer als 1000, insbesondere größer als 2000 ist.Method according to Claim 3, in which the number of recurring interruptions per second is, on average, greater than 400, preferably greater than 1000, in particular greater than 2000. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, bei dem ein Zyklus beginnend mit einer Unterbrechung und endend vor der nächsten Unterbrechung periodisch mit einer Frequenz von kleiner als 40 kHz, bevorzugt kleiner als 25 kHz, insbesondere kleiner als 10 kHz erfolgt.Method according to Claim 3 or 4, in which a cycle commences with an interruption and ending before the next interruption periodically with a frequency of less than 40 kHz, preferably less than 25 kHz, in particular less than 10 kHz. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem ein Verhältnis der Zeitspannen mit und ohne Unterbrechung in dem Intervall von 0,2 bis 3 liegt, bevorzugt in dem Intervall von 0,3 bis 2, insbesondere in dem Intervall von 0,4 bis 1,5.Method according to one of claims 3 to 5, wherein a ratio of the periods with and without interruption in the interval of 0.2 to 3, preferably in the interval of 0.3 to 2, in particular in the interval from 0.4 to 1.5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Verhältnis aus der aufgrund der Spannungssteuerung im zeitlichen Mittel am Elektrolyseur angelegten Spannung zu der gleichgerichteten Versorgungsspannung kleiner ist als 90%, bevorzugt kleiner als 85%, insbesondere kleiner als 80% und/oder größer ist als 20%, bevorzugt als 30%, insbesondere als 40%.Method according to one of the preceding claims, wherein the ratio of the voltage applied to the electrolyzer on average over time due to the voltage control to the rectified supply voltage is less than 90%, preferably less than 85%, in particular less than 80% and / or greater than 20%, preferably as 30%, in particular as 40%. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die entkoppelte Spannungssteuerung nahe wenigstens einer Endplatte (5a) des Elektrolyseurs wirkt.Method according to one of the preceding claims, in which the decoupled voltage control is close to at least one end plate ( 5a ) of the electrolyzer acts. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem ein in der Endplatte (5a) von innen nach außen bestehender Temperaturgradient durch die Betätigung der Spannungssteuerung vermindert wird.The method of claim 8, wherein a in the end plate ( 5a ) from the inside to the outside existing temperature gradient is reduced by the operation of the voltage control. Verfahren, bei dem die Bereitstellung der gleichgerichteten Wechselspannung über eine Transformation aus dem Mittelspannungsnetz erfolgt.Method in which the provision of the rectified AC voltage via a transformation from the medium-voltage network. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Verfahren der Herstellung von Wasserstoff dient und insbesondere eine Elektrolyse von Wasser erfolgt, wobei insbesondere der hergestellte Wasserstoff anschließend mit einem Kohlenstoff in Form eines Kohlenoxids, insbesondere Kohlendioxid enthaltenden Gas zusammengeführt und katalytisch methanisiert wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the method is used for the production of hydrogen and in particular an electrolysis of water, wherein in particular the hydrogen produced is then combined with a carbon in the form of a carbon, in particular carbon dioxide-containing gas and catalytically methanized. Anordnung zum Betreiben eines Elektrolyseurs (10a), mit einem eine in Form einer Wechselspannung bereitgestellte Spannungsversorgung gleichrichtenden Gleichrichters (70) und einer die am Elektrolyseur angelegte Spannung einstellenden Spannungssteuerung, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungssteuerung wenigstens teilweise von dem Gleichrichter entkoppelt ist.Arrangement for operating an electrolyzer ( 10a ), with a rectifier provided rectifying the voltage in the form of an AC voltage ( 70 ) and a voltage applied to the electrolyzer voltage adjusting voltage control, characterized in that the voltage control is at least partially decoupled from the rectifier. Anordnung nach Anspruch 12, bei der die Spannungssteuerung ein vom Gleichrichter beabstandetes erstes Schaltungsteil (1a) aufweist, welches auf einer Zeitskala von weniger als 0,0025 Sekunden Schwankungen der am Elektrolyseur angelegten Spannung mit insbesondere Schwankungsamplituden von mehr als 40%, bevorzugt mehr als 60%, insbesondere mehr als 80%, bezogen auf die im zeitlichen Mittel angelegte Spannung bewirkt.Arrangement according to Claim 12, in which the voltage controller has a first circuit part ( 1a ) which, on a time scale of less than 0.0025 seconds, causes variations in the voltage applied to the electrolyzer, in particular fluctuation amplitudes of more than 40%, preferably more than 60%, in particular more than 80%, based on the voltage applied over the time average , Anordnung nach Anspruch 13, bei der das erste Schaltungsteil ein Transistor, insbesondere ein IGBT (1a, ..., 1f) ist.Arrangement according to Claim 13, in which the first circuit part is a transistor, in particular an IGBT ( 1a , ..., 1f ). Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei der die Spannungssteuerung wenigstens ein zweites Schaltungsteil (1b, ..., 1f) zur Spannungseinstellung eines zweiten Elektrolyseurs (10b, ..., 10f) aufweist, das an demselben Gleichrichter ankoppelt wie das erste Schaltungsteil.Arrangement according to one of claims 12 to 14, wherein the voltage control at least a second circuit part ( 1b , ..., 1f ) for voltage adjustment of a second electrolyzer ( 10b , ..., 10f ) which couples to the same rectifier as the first circuit part. Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei der der Gleichrichter (70) ein ungesteuerter Gleichrichter ist.Arrangement according to one of Claims 12 to 15, in which the rectifier ( 70 ) is an uncontrolled rectifier. Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, mit einer ein Steuerprogramm beinhaltenden Steuerung (99), mit dem die Anordnung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 gesteuert wird.Arrangement according to one of Claims 12 to 16, with a control program containing a control program ( 99 ), with which the arrangement for carrying out a method according to one of claims 1 to 11 is controlled. Elektrolyseanlage (100) mit wenigstens einem, bevorzugt wenigstens zwei Elektrolyseuren (10a, ..., 10f), insbesondere vom Stapel-Typ, gekennzeichnet durch eine Anordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 17.Electrolysis system ( 100 ) with at least one, preferably at least two electrolyzers ( 10a , ..., 10f ), in particular of the stack type, characterized by an arrangement according to one of claims 12 to 17. Elektrolyseanlage nach Anspruch 18, bei der ein/die Schaltungsteil(e) (1a) an einer Endplatte (5a) des jeweilig zugehörigen Elektrolyseurs (10a) angeordnet ist/sind.Electrolysis system according to claim 18, in which a circuit part (s) ( 1a ) on an end plate ( 5a ) of the respective associated electrolyzer ( 10a ) is / are arranged. Methanisierungsanlage, mit einem Methaniseur zum katalytischen Methanisieren von durch Elektrolyse erzeugtem Wasserstoff nach dessen Zusammenführung mit einem Kohlenstoff in Form eines Kohlenoxids, insbesondere Kohlendioxid enthaltenden Gases, gekennzeichnet durch eine den Wasserstoff erzeugende Elektrolyseanlage nach Anspruch 18 oder 19.Methanization plant, comprising a methanizer for the catalytic methanization of hydrogen produced by electrolysis after its combination with a carbon in the form of a carbon monoxide, in particular carbon dioxide-containing gas, characterized by a hydrogen-producing electrolysis plant according to claim 18 or 19.
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