DE102020112880A1 - Verfahren zum betrieb eines elektrolyseurs, verbindungsschaltung, gleichrichter und elektrolyseanlage zur durchführung des verfahrens - Google Patents

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Arno Gerth
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Abstract

Die Anmeldung beschreibt ein Verfahren zum Betrieb eines Elektrolyseurs (40), der über einen aktiv gesteuerten Gleichrichter (30) aus einem Wechselspannungsnetz (AC - Netz) (20) versorgt wird, mit den Schritten:- Betreiben des Elektrolyseurs (40) in einem Normal-Betriebsmodus bei einer Eingangsspannung UEIoberhalb einer Leerlaufspannung ULLmit einem überwiegend ohmschen Verhalten,- Betreiben des Elektrolyseurs (40) in einem Standby-Betriebsmodus bei einer Eingangsspannung UEIunterhalb der Leerlaufspannung ULLmit überwiegend kapazitivem Verhalten, und- Übergang von dem Standby-Betriebsmodus in den Normal-Betriebsmodus während einer ersten Übergangsdauer Δt1, wobei die erste Übergangsdauer Δt1dadurch reduziert wird, dass die Eingangsspannung UEIam Eingang (41) des Elektrolyseurs (40) während des Standby-Betriebsmodus oberhalb eines von 0V verschiedenen ersten Spannungsschwellwertes UTH,1gehalten wird. Die Anmeldung beschreibt weiterhin eine Verbindungsschaltung (1), einen aktiv gesteuerten Gleichrichter (30) und eine Elektrolyseanlage (60) zur Durchführung des Verfahrens.

Description

  • Technisches Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Elektrolyseurs, eine Verbindungsschaltung, einen Gleichrichter und eine Elektrolyseanlage zur Durchführung des Verfahrens
  • Stand der Technik
  • Die Erzeugung von Wasserstoff erfolgt oftmals über einen Elektrolyseur, der Wasser mittels einer Elektrolysereaktion in seine Elemente Wasserstoff und Sauerstoff umwandelt. Dabei wird der Elektrolyseur mittels eines aktiv gesteuerten Gleichrichters aus einem Wechselspanungsnetz (AC-Netz) versorgt. Ein Elektrolyseur weist typischerweise eine Strom-Spannungs-Kennlinie auf, die über die sogenannte Leerlaufspannung ULL in zwei Bereiche aufgeteilt wird. Unterhalb der Leerlaufspannung ULL zeigt der Elektrolyseur ein überwiegend kapazitives Verhalten, welches von der Ausbildung von Doppelschichten an Elektroden des Elektrolyseurs hervorgerufen wird. Eine Elektrolysereaktion findet bei Spannungen unterhalb der Leerlaufspannung noch nicht, oder zumindest nicht in signifikanter Weise statt. Bei Eingangsspannungen oberhalb der Leerlaufspannung ULL zeigt der Elektrolyseur überwiegend ohmsches Verhalten, welches durch die bei diesen Spannungen ablaufende Elektrolysereaktion hervorgerufen wird. Die Geschwindigkeit der Elektrolysereaktion, und damit die Erzeugungsrate von beispielsweise Wasserstoff, wird über eine Eingangsspannung des Elektrolyseurs gesteuert und steigt typischerweise mit zunehmender Eingangsspannung.
  • Als aktiv gesteuerte Gleichrichter finden zunehmend Gleichrichter Verwendung, die Transistoren, insbesondere Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT) oder Metal-Oxide-Field-Effect-Transistoren (MOSFET) als aktiv steuerbare Halbleiterschalter aufweisen. Dabei ist den Transistoren jeweils eine Freilaufdiode antiparallel geschaltet. Die Freilaufdioden des Gleichrichters führen dazu, dass ein ansonsten über die Transistoren einstellbarer Spannungsbereich am DC-Wandlerausgang des AC/DC-Wandlers nach unten hin auf eine minimale DC-Spannung UW,min begrenzt ist. Die Begrenzung liegt im Wesentlichen daran, dass unterhalb der minimalen DC-Spannung UW,min am Ausgang des AC/DC-Wandlers zumindest eine der Freilaufdioden einen leitfähigen Zustand aufweist, wodurch eine anodenseitig anliegende Spannung bis auf eine Durchlassspannung der Freilaufdiode einer kathodenseitig anliegenden Spannung der Freilaufdiode entspricht. Zudem ist es üblicherweise gewünscht, den Elektrolyseur bei einem Leistungsverbrauch nahe seiner Nominalleistung mit möglichst geringen Umwandlungsverlusten seitens des Gleichrichters zu versorgen. Die Nominalleistung ist hier als diejenige maximale Leistung zu verstehen, bei der ein Dauerbetrieb des Elektrolyseurs ohne Beschädigung desselben sicher erfolgen kann. Die Nominalleistung kann von verschiedenen Komponenten des Elektrolyseurs und deren Wechselwirkung untereinander abhängen und ist üblicherweise eine Herstellerangabe.
  • Die in Frage stehenden Elektrolyseure haben üblicherweise einen großen Eingangsspannungsbereich zwischen ihrer Leerlaufspannung ULL und ihrer Nominalspannung. Dabei ist die Nominalspannung diejenige am Eingang des Elektrolyseurs anliegende Spannung, bei der der Elektrolyseur mit seiner Nominalleistung betrieben wird. Wird nun durch geeignete Maßnahmen, beispielsweise durch eine entsprechende Auslegung eines mit einem AC-Eingang des Gleichrichters verbundenen Transformators, dafür gesorgt, dass die minimale DC-Spannung UW,min am Ausgang des AC/DC-Wandlers unterhalb der Leerlaufspannung ULL des Elektrolyseurs liegt, so ist dies üblicherweise mit hohen Umwandlungsverlusten des aktiv gesteuerten Gleichrichters bei hohen Eingangsspannungen des Elektrolyseurs verbunden. Daher ist die minimale DC-Spannung UW,min oftmals oberhalb der Leerlaufspannung ULL des Elektrolyseurs, wodurch jedoch ein sanftes Aufstarten wie auch ein sanftes Abregeln des Elektrolyseurs erschwert wird.
  • Beim Start des Elektrolyseurs ist eine erhebliche Kapazität des Elektrolyseurs aufzuladen. Dabei ist es erforderlich, den Strom während der Vorladung auf einen Wert zu limitieren, um eine Beschädigung der Freilaufdioden zu verhindern. Konkret erfolgt die Vorladung über einen den Strom begrenzenden Vorladewiderstand. Andererseits ist ein möglichst schnelles Vorladen der Kapazität wünschenswert, was einen möglichst geringen Widerstandswert erfordert. Je geringer der ohmsche Widerstand, umso höher ist jedoch seine Verlustleistung, und auch seine Bauteilkosten. Eine Pause in der beispielsweise Wasserstoffproduktion ist nur über ein Trennen des Elektrolyseurs von dem Gleichrichter möglich. Aufgrund nicht ganz zu unterdrückender Leckströme entlädt sich der Elektrolyseur jedoch wieder - je nach Dauer der Pause gegebenenfalls signifikant - und muss erneut gestartet werden. Wenn der Elektrolyseur nun innerhalb einer Verbrauchereinrichtung, beispielsweise innerhalb eines Industriebetriebes betrieben wird, stören derartig lange Auflade- und Entladedauern des Elektrolyseurs und erschweren ein effizientes Energiemanagement der Verbrauchereinrichtung. Konkret ist es unter den gegebenen Bedingungen nicht, zumindest nur schwer möglich, den Elektrolyseur in ein Energiemanagement der Verbrauchereinrichtung mit einzubeziehen. Beispielsweise ist es wünschenswert die beispielsweise Wasserstoffproduktion im Rahmen eines Peak-Load-Shavings der Verbrauchereinrichtung in einem Berechnungszeitraum zu verkürzen, um sie stattdessen in dem nachfolgenden Berechnungszeitraum fortzuführen. Dies erfordert eine Vorladedauer im Bereich von wenigen Sekunden, vorteilhafterweise beispielsweise maximal 2 s.
  • Aus der Druckschrift FR2972200A1 ist eine Ersatzstromversorgung für einen Elektrolyseur bekannt, der zur Elektrolyse einer wässrigen NaCI-Lösung eingesetzt wird. Bei einem derartigen Elektrolyseur ist es notwendig, den Eingang des Elektrolyseurs auch bei einem Ausfall seiner normalen Versorgung, die aus einem mit einem Gleichrichter verbundenen AC-Netz erfolgt, auch bei Ausfall des AC-Netzes zu polarisieren. Hierzu ist ein Eingang des Elektrolyseurs über einen Gleichrichter, eine Batterie, einen DC/DC-Wandler und eine Diode mit dem AC-Netz verbunden. Wenn das AC-Netz als normale Versorgung ausfällt, so bleibt weiterhin der Eingang des Elektrolyseurs über die Batterie, den DC/DC-Wandler und die Diode polarisiert.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines Elektrolyseurs anzugeben, mit dem beispielsweise eine Wasserstoffproduktion eines Elektrolyseurs hochdynamisch geregelt werden kann. Insbesondere soll bei Verwendung eines aktiv gesteuerten Gleichrichters der eingangs beschriebenen Art einerseits ein temporäres Pausieren der Produktion von beispielsweise Wasserstoff möglich sein. Dabei soll sich das temporäre Pausieren möglichst über einen Zeitraum von einigen Minuten bis hin zu einigen Stunden erstrecken können. Zusätzlich soll dabei ein Übergang von einem Normal-Betriebsmodus mit Elektrolysereaktion, beispielsweise Wasserstoffproduktion, in einen Standby-Betriebsmodus mit zumindest weitegehend unterdrückter Elektrolysereaktion, beispielsweise Wasserstoffproduktion, und umgekehrt möglichst rasch erfolgen. Es ist zudem Aufgabe der Erfindung, eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Verbindungsschaltung und einen Gleichrichter mit einer derartigen Verbindungsschaltung aufzuzeigen. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine Elektrolyseanlage, die zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist, aufzuzeigen.
  • Lösung
  • Die Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die Aufgabe, eine erfindungsgemäße Verbindungsschaltung aufzuzeigen, wird mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 10, die Aufgabe, einen erfindungsgemäßen aktiv gesteuerten Gleichrichter aufzuzeigen, mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 14 gelöst. Die Aufgabe, eine erfindungsgemäße Elektrolyseanlage anzugeben, wird mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 17 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 9, vorteilhafte Ausführungsformen der Verbindungsschaltung in den abhängigen Ansprüchen 11 bis 13 wiedergegeben. Die abhängigen Ansprüche 15 und 16 zielen auf eine vorteilhafte Ausführungsform des aktiv gesteuerten Gleichrichters. Der abhängige Anspruch 18 zielt auf eine vorteilhafte Ausführungsform der Elektrolyseanlage.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft einen Betrieb eines Elektrolyseurs. Der Elektrolyseur wird über einen aktiv gesteuerten Gleichrichter aus einem Wechselspannungsnetz (AC-Netz) versorgt. Das Verfahren umfasst die Schritte:
    • - Betreiben des Elektrolyseurs in einem Normal-Betriebsmodus bei einer Eingangsspannung UEI oberhalb einer Leerlaufspannung ULL des Elektrolyseurs mit einem überwiegend ohmschen Verhalten,
    • - Betreiben des Elektrolyseurs in einem Standby-Betriebsmodus bei einer Eingangsspannung UEI unterhalb der Leerlaufspannung ULL des Elektrolyseurs mit einem überwiegend kapazitiven Verhalten, und
    • - Übergang von dem Standby-Betriebsmodus in den Normal-Betriebsmodus während einer ersten Übergangsdauer Δt1, wobei die erste Übergangsdauer Δt1 dadurch reduziert wird, dass die Eingangsspannung UEI am Eingang des Elektrolyseurs während des Standby-Betriebsmodus oberhalb eines von 0V verschiedenen ersten Spannungsschwellwertes UTH,1 gehalten wird.
  • Bei dem Elektrolyseur kann es sich insbesondere, aber nicht zwingenderweise, um einen Elektrolyseur handeln, der eingerichtet ist, Wasserstoff über eine Elektrolysereaktion aus Wasser zu erzeugen. Derartige Elektrolyseure werden zunehmend in größeren Verbrauchereinrichtungen, beispielsweise Industriebetrieben betrieben. In diesem Fall können Sie dazu dienen, einerseits einen Bedarf an Wasserstoff des Industriebetriebs durch eine lokale Wasserstoffproduktion zu decken. Zum andern ist es wünschenswert, einen elektrischen Leistungsverbrauch des Elektrolyseurs so dynamisch zu regeln, dass der Elektrolyseur an einem lokalen Energiemanagement der Verbrauchereinrichtung teilnehmen kann. Zu diesem Zweck weist der Elektrolyseur einerseits den Normal-Betriebsmodus auf, bei dem eine Elektrolysereaktion, beispielsweise eine wasserstofferzeugende Zersetzung von Wasser, erfolgt. Die Elektrolysereaktion erfolgt oberhalb der Leerlaufspannung ULL bei einem vorwiegend ohmschen Verhalten des Elektrolyseurs. Die Geschwindigkeit der Elektrolysereaktion beeinflusst den elektrischen Leistungsverbrauch des Elektrolyseurs und wird mittels des aktiv gesteuerten Gleichrichters über die Eingangsspannung UEI des Elektrolyseurs gesteuert. In dem Standby-Betriebsmodus mit einer Eingangsspannung UEI unterhalb der Leerlaufspannung ULL weist der Elektrolyseur ein überwiegend kapazitives Verhalten auf. Eine Elektrolysereaktion findet hier nicht, zumindest nicht in signifikanten Umfang statt. Indem bei dem Standby-Betriebsmodus die Eingangsspannung UEI des Elektrolyseurs oberhalb des von 0V verschiedenen ersten Spannungsschwellwertes UTH,1 gehalten wird, bleibt eine dem Elektrolyseur zugeordnete oder innewohnende Kapazität auch in dem Stand-by-Betriebsmodus bis zu einem gewissen Grad vorgeladen. Daher ist ein geringerer Ladungstransport in den Elektrolyseur erforderlich, um dessen Eingangsspannung UEI auf einen Wert oberhalb der Leerlaufspannung anzuheben, als dies beispielsweise bei einem Neustart des Elektrolyseurs mit vollständig entladener ihm zugeordneter Kapazität der Fall wäre. Da weniger Ladung transportiert werden muss, kann auch eine Übergangsdauer Δt1 zwischen dem Standby-Betriebsmodus und dem Normal-Betriebsmodus bei ansonsten ähnlichem Strom zwischen dem aktiv gesteuerten Gleichrichter und dem Elektrolyseur sehr klein gehalten werden. Durch die kurze Übergangsdauer Δt1 kann ein Pausieren der Elektrolysereaktion in dem Standby-Betriebsmodus und eine leistungsverbrauchende Elektrolysereaktion in dem Normal-Betriebsmodus hochdynamisch und ohne wesentliche Totzeiten erfolgen. Durch die kurze Übergangsdauer Δt1 ist es möglich, ein Betriebsverhalten des Elektrolyseurs wesentlich besser in ein Energiemanagement der Verbrauchereinrichtung einzugliedern, als dies bei langen Übergangsdauern der Fall wäre. Das Halten der Eingangsspannung UEI des Elektrolyseurs oberhalb des ersten Spannungsschwellwertes UTH,1 kann dabei mit keinem, zumindest jedoch mit reduziertem Hardwareaufwand erfolgen. Beispielsweise kann oftmals eine ohnehin vorhandene Verbindungsschaltung genutzt werden, weswegen in diesem Fall kein zusätzlicher Hardwareaufwand erforderlich ist. Eine Umsetzung des Verfahrens ist daher kaum mit einem Mehraufwand verbunden und daher extrem kostengünstig realisierbar.
  • Indem die Eingangsspannung UEI des Elektrolyseurs in dem Standby-Betriebsmodus oberhalb des von 0V verschiedenen ersten Spannungsschwellwertes UTH,1 gehalten wird, kann die erste Übergangsdauer Δt1 von dem Standby-Betriebsmodus in den Normal-Betriebsmodus aufgrund eines geringeren damit verbundenen Ladungstransports minimiert werden. Der für die Änderung des Betriebsmodus in geringerem Maße erforderliche Ladungstransport wirkt sich jedoch nicht nur bei einem Übergang von dem Standby-Betriebsmodus in den Normal-Betriebsmodus aus. Vielmehr kann hierdurch auch eine zweite Übergangsdauer Δt2 von dem Normal-Betriebsmodus in den Standby-Betriebsmodus minimiert werden. Eine vorteilhafte Variante des Verfahrens kann daher den Schritt umfassen:
    • - Übergang von dem Normal-Betriebsmodus in den Standby-Betriebsmodus während einer zweiten Übergangsdauer Δt2, wobei die zweite Übergangsdauer Δt2 dadurch reduziert wird, dass die Eingangsspannung UEI am Eingang des Elektrolyseurs während des Standby-Betriebsmodus oberhalb des von 0V verschiedenen ersten Spannungsschwellwertes UTH,1 gehalten wird.
  • Je näher der erste Spannungsschwellwert UTH,1 an der Leerlaufspannung ist, desto kürzer lässt sich auch die erste Übergangdauer Δt1 gestalten. Andererseits ist jedoch zu berücksichtigen, dass eine Elektrolysereaktion nicht schlagartig bei Überschreitung der Leerlaufspannung einsetzt. Vielmehr wird die Elektrolysereaktion in einem eng begrenzten Bereich um die Leerlaufspannung ULL herum einsetzen und dort kontinuierlich mit steigender Eingangsspannung UEI stark zunehmen. Um eine sichere Pausierung der Elektrolysereaktion in dem Standby-Betriebsmodus zu erreichen, muss daher ein Sicherheitsabstand zu der Leerlaufspannung eingehalten werden. Gemäß einer vorteilhaften Variante des Verfahrens kann nun der erste Spannungsschwellwert UTH,1 einem Wert von zumindest 80%, bevorzugt von zumindest 90% der Leerlaufspannung ULL des Elektrolyseurs entsprechen. Alternativ oder kumulativ kann die Eingangsspannung UEI am Eingang des Elektrolyseurs im Standby-Betriebsmodus um zumindest 5% unterhalb der Leerlaufspannung ULL des Elektrolyseurs gehalten werden. Diesen Werten entspricht ein Toleranzband für die Eingangsspannung UEI des Elektrolyseurs zwischen minimal 80% und maximal 95%, besonders bevorzugt zwischen minimal 90% und maximal 95% der Leerlaufspannung ULL des Elektrolyseurs. Innerhalb dieser Toleranzbänder kann die erste Übergangsdauer Δt1 von dem Standby-Betriebsmodus in den Normal-Betriebsmodus auf einen Wert von maximal 10s, bevorzugterweise von maximal 5s begrenzt werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens kann die Eingangsspannung UEI des Elektrolyseurs im Standby-Betriebsmodus oberhalb des ersten Spannungsschwellwertes UTH,1 gehalten werden, indem der Eingang des Elektrolyseurs über einen Vorladewiderstand und/oder eine Induktivität in getakteter Weise mit einem DC-Wandlerausgang eines dem aktiv gesteuerten Gleichrichter zugeordneten AC/DC-Wandlers verbunden wird. Dabei kann der aktiv gesteuerte Gleichrichter eingangsseitig mit dem AC-Netz verbunden bleiben. Auf diese Weise wird in Verbindung mit innerhalb des AC/DC-Wandlers vorhandenen Freilaufdioden eine DC-Spannung am DC-Wandlerausgang aufrechterhalten, die durchaus größer als die Leerlaufspannung ULL des Elektrolyseurs sein kann. Die getaktete Verbindungkann mittels eines seriell zu dem Vorladewiderstand oder seriell zu der Induktivität angeordneten Trennschalters erfolgen. In einem Falle, bei dem der der Eingang des Elektrolyseurs in getakteter Weise über den Vorladewiderstand mit dem DC-Wandlerausgang des AC/DC-Wandlers verbunden wird, ergeben sich aktive Zeitfenster (bei geschlossenem Trennschalter) mit einem Stromfluss in den Eingang des Elektrolyseurs und inaktive Zeitfenster (bei geöffnetem Trennschalter), während derer kein Strom in den Eingang des Elektrolyseurs fließt. Während der aktiven Zeitfenster steigt die Eingangsspannung UEI des Elektrolyseurs an, während sie während der inaktiven Zeitfenster, beispielsweise aufgrund nie ganz zu verhindernder Leckströme wieder abfällt. Gemäß einer bevorzugten Variante des Verfahrens kann das getaktete Verbinden des Eingangs des Elektrolyseurs mit dem DC-Wandlerausgang spannungsgeregelt, insbesondere mittels einer Zwei-Punkt-Regelung erfolgen. Dabei kann die Eingangsspannung UEI des Elektrolyseurs als Feedback Signal der Regelung genutzt werden. Ein Vorladewiderstand mit einem dazu seriell angeordneten Trennschalter ist bei der in Frage stehenden Kombination von aktiv gesteuertem Gleichrichter und Elektrolyseur oftmals ohnehin vorhanden und erzeugt daher keine Mehrkosten. In einem Fall, bei dem der Eingang des Elektrolyseurs in getakteter Weise über die Induktivität mit dem DC-Wandlerausgang des AC/DC-Wandlers verbunden wird, kann die Induktivität Bestandteil eines DC/DC-Wandlers, insbesondere eines Tiefsetzstellers sein, der zwischen dem AC/DC-Wandler und dem DC-Ausgang des Gleichrichters angeordnet ist. Bei geschlossenem Trennschalter ergibt sich eine durch die Induktivität gedrosselte Stromzunahme und bei geöffnetem Trennschalter eine durch die Induktivität getriebene Stromabnahme. Dabei kann der Tiefsetzsteller in einem lückenden oder nicht lückenden Betrieb operieren.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens kann eine minimale DC-Spannung UW,min am DC-Wandlerausgang des AC/DC-Wandlers oberhalb der Leerlaufspannung ULL des Elektrolyseurs liegen. Dies lässt sich beispielsweise über eine geeignete Auslegung eines dem aktiv gesteuerten Gleichrichter eingangsseitig vorgeschalteten Transformators erreichen, über den der Gleichrichter mit dem AC-Netz verbunden ist. Konkret kann der Transformator so ausgelegt sein, dass eine AC-Spannung des AC-Netzes mit der Amplitude UAC in eine an dem AC-Eingang des Gleichrichters anliegende AC-Spannung mit der Amplitude U1 transformiert wird, wobei die Amplitude U1 in Verbindung mit den innerhalb des AC/DC-Wandlers vorhandenen Freilaufdioden eine minimale DC-Spannung UW,min am DC-Wandlerausgang erzeugt, die oberhalb der Leerlaufspannung ULL des Elektrolyseurs liegt. Eine derartige Auslegung hinsichtlich der am DC-Wandlerausgang anliegenden minimalen DC-Spannung UW,min bedeutet im Umkehrschluss minimierte Umwandlungsverluste, wenn der Elektrolyseur mit einer hohen Eingangsspannung UEI betrieben werden soll.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens kann der Elektrolyseur bei vorgegebenen Rahmenbedingungen zusätzlich in einem Wartungs-Betriebsmodus betrieben werden, bei dem die Eingangsspannung UEI des Elektrolyseurs unterhalb eines gefahrenkritischen Spannungswertes liegt. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn Reparatur- und/oder Wartungsarbeiten an dem Elektrolyseur und/oder dem aktiven Gleichrichter erfolgen sollen und ein Personenschaden aufgrund eines elektrischen Schlags sicher ausgeschlossen werden muss. Die gefahrenkritischen Spannungswerte können länderspezifisch festgelegt sein. Insbesondere ist es möglich, dass dabei die Eingangsspannung des Elektrolyseurs bei einem Wert von 0V liegt. Ein derartiger Wartungs-Betriebsmodus ist jedoch dann im Nachgang mit einer verlängerten Vorladedauer des Elektrolyseurs verbunden. Da der Wartungs-Betriebsmodus jedoch nur in wenigen Fällen eingenommen wird, ist eine damit verbundene verlängerte Aufladedauer, gegebenenfalls auch eine damit verbundene verlängerte Entladedauer des Elektrolyseurs tolerierbar.
  • In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann der Elektrolyseur einer Verbrauchereinrichtung, beispielsweise einem Industriebetrieb zugeordnet sein und zusammen mit weiteren elektrischen Verbrauchern und/oder Erzeugern der Verbrauchereinrichtung über einen gemeinsamen Netzanschlusspunkt mit dem die Verbrauchereinrichtung versorgenden AC-Netz verbunden sein. Gerade bei größeren Verbrauchereinrichtungen ist es üblich, den innerhalb eines Berechnungszeitraums maximal erlaubten Energiebezug seitens des AC-Netzes zu spezifizieren. Dies gibt einem Energieversorger der Verbrauchereinrichtung eine Planungsgrundlage im Hinblick auf eine während des Berechnungszeitraums im zeitlichen Mittel zu erzeugende elektrische Leistung. Eine Einhaltung der während der Berechnungszeiträume vereinbarten maximalen Energien wird üblicherweise über ein Energiemanagementsystem EMS der Verbrauchereinrichtung überwacht und gesteuert. Der Elektrolyseur stellt einen wesentlichen Verbraucher der Verbrauchereinrichtung dar. Indem nun zumindest ein Wechsel zwischen dem Normal-Betriebsmodus und dem Standby-Betriebsmodus des Elektrolyseurs während eines Berechnungszeitraums mit dem Ziel erfolgt, dass eine für den Berechnungszeitraum zwischen der Verbrauchereinrichtung und einem Energieversorger vereinbarte maximale Energie ΔE nicht überschritten wird, kann der Elektrolyseur besonders effizient in das EMS der Verbrauchereinrichtung eingebunden werden.
  • Eine erfindungsgemäße Verbindungsschaltung ist zwischen einer DC-Quelle, und einem Elektrolyseur angeordnet. Sie umfasst:
    • - einen Eingang mit zwei Eingangsanschlüssen zur Verbindung der Verbindungsschaltung mit der DC-Quelle, sowie einen Ausgang mit zwei Ausgangsanschlüssen zur Verbindung der Verbindungsschaltung mit dem Eingang des Elektrolyseurs,
    • - eine Serienschaltung aus einem Vorladewiderstand und einem Trennschalter oder eine Serienschaltung aus einer Induktivität und einem Trennschalter, wobei die Serienschaltung einen der Eingangsanschlüsse mit einem korrespondierenden der Ausgangsanschlüsse verbindet,
    • - einen weiteren Trennschalter, der parallel zu dem Vorladewiderstand, parallel zu der Serienschaltung aus Vorladewiderstand und Trennschalter oder parallel zu der Serienschaltung aus Induktivität und Trennschalter angeordnet ist,
    • - eine Messeinheit zur Bestimmung einer Spannungsdifferenz zwischen einer an dem Ausgang anliegenden DC-Spannung UEI und einer an dem Eingang anliegenden DC-Spannung UQ, und
    • - eine Steuerungseinheit zur Steuerung der Verbindungsschaltung, insbesondere des Trennschalters und des weiteren Trennschalters. Kennzeichnenderweise ist die Verbindungsschaltung ausgelegt und eingerichtet, in Verbindung mit der DC-Quelle den Elektrolyseur nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu betreiben.
  • Bei der DC-Quelle kann es sich insbesondere um einen DC-Wandlerausgang eines AC/DC-Wandlers handeln, der mit seinem AC-Wandlereingang mit einem AC-Netz verbunden ist. Der AC/DC-Wandler kann einem aktiv gesteuerten Gleichrichter zugeordnet sein. Es ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem Verfahren beschriebenen Vorteile.
  • Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform der Verbindungsschaltung kann der Trennschalter einen Halbleiterschalter und/oder einen elektromagnetischen Schalter umfassen. Dabei steht das „und“ insbesondere für einen sogenannten Hybridschalter, der einen elektromechanischen Schalter mit einem parallel dazu angeordneten Halbleiterschalter umfasst. Mittels des Hybridschalters lässt sich ein Schaltlichtbogen, wie er ansonsten bei alleiniger Verwendung eines elektromechanischen Schalters auftreten würde, unterdrücken. Gleiches gilt ebenfalls für den weiteren Trennschalter der Verbindungsschaltung. In einer Ausführungsform der Verbindungsschaltung, bei die Serienschaltung der Verbindungsschaltung über den Trennschalter und die Induktivität gebildet wird, kann die Verbindungsschaltung als DC/DC-Wandler, insbesondere als Tiefsetzsteller ausgelegt und eingerichtet sein. Hierzu kann die Verbindungsschaltung einen weiteren Halbleiterschalter aufweisen, der einen anderen der zwei Eingangsanschlüsse mit einem Verbindungspunkt des Trennschalter und der Induktivität verbindet. Bei dem weiteren Halbleiterschalter kann es sich um eine Diode oder einen aktiv gesteuerten Halbleiterschalter handeln.
  • Ein erfindungsgemäßer Gleichrichter ist als aktiv gesteuerter Gleichrichter ausgeführt. Er dient zur Versorgung eines Elektrolyseurs aus einem eine AC-Spannung aufweisenden AC-Netz und umfasst:
    • - einen AC-Eingang mit mehreren Eingangsanschlüssen zum Anschluss des AC-Netzes und einen DC-Ausgang mit zwei Ausgangsanschlüssen zum Anschluss des Elektrolyseurs,
    • - einen AC/DC-Wandler mit einer Wandlerschaltung, die Halbleiterschalter mit dazu antiparallel verschalteten Freilaufdioden umfasst, sowie
    • - eine Gleichrichter (GR) - Steuerungseinheit zur Ansteuerung der Halbleiterschalter des Gleichrichters. Als kennzeichnendes Merkmal weist der erfindungsgemäße Gleichrichter zudem eine erfindungsgemäße Verbindungsschaltung auf.
  • Bei dem aktiv gesteuerten Gleichrichter kann es sich um einen einstufigen Gleichrichter handeln, der frei von einem zwischen dem AC/DC-Wandler und dem DC-Ausgang des Gleichrichters angeordneten DC/DC-Wandler ist. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn die Serienschaltung der Verbindungsschaltung durch den Trennschalter und den Vorladewiderstand gebildet wird. Alternativ dazu ist es möglich, dass der Gleichrichter als zweistufiger Gleichrichter ausgebildet ist, der einen zwischen dem AC/DC-Wandler und dem DC-Ausgang des Gleichrichters angeordneten DC/DC-Wandler umfasst. Bei dem DC/DC-Wandler kann es sich insbesondere um einen Tiefsetzsteller handeln. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn die Serienschaltung der Verbindungsschaltung durch den Trennschalter und die seriell zudem Trennschalter angeordnete Induktivität gebildet wird. Die mehreren Eingangsanschlüsse des Gleichrichters können einen Phasenanschluss und einen Neutralleiteranschluss umfassen. Alternativ ist es möglich, dass die mehreren Eingangsanschlüsse mehrere Phasenanschlüsse, insbesondere drei Phasenanschlüsse umfassen. Im Falle von mehreren Phasenanschlüssen können die Eingangsanschlüsse zusätzlich einen Neutralleiteranschluss umfassen, was jedoch nicht zwingend erforderlich ist. Die GR-Steuerungseinheit kann ausgelegt sein, neben den Halbleiterschaltern des Gleichrichters auch weitere Komponenten des Gleichrichters, beispielsweise eine AC-Trenneinheit, die zwischen dem AC-Wandlereingang des AC/DC-Wandlers und dem AC-Eingang des Gleichrichters angeordnet ist, zu steuern. Die Steuerungseinheit der Verbindungsschaltung kann als separate Steuerungseinheit ausgeführt sein. Alternativ dazu ist es möglich, dass die Steuerungseinheit der Verbindungsschaltung ein Bestandteil der GR-Steuerungseinheit ist, sofern diese entsprechend dimensioniert ist. Auch hier ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit dem Verfahren aufgeführten Vorteile.
  • Eine erfindungsgemäße Elektrolyseanlage umfasst einen aktiv gesteuerten Gleichrichter und einen ausgangsseitig an den aktiv gesteuerten Gleichrichter angeschlossenen Elektrolyseur. Die Elektrolyseanlage kann direkt oder unter Zwischenschaltung eines der Elektrolyseanlage zugeordneten Transformators an das den Elektrolyseur versorgende AC-Netz angeschlossen sein. In einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Elektrolyseanlage eine Signaleinrichtung aufweisen, die ausgelegt ist, einen aktuellen Betriebsmodus des Elektrolyseurs zu signalisieren. Hierdurch kann insbesondere auf einen Standby-Betriebsmodus des Elektrolyseurs hingewiesen werden, da bei diesem keine Elektrolysereaktion erfolgt und - abgesehen von dem spannungsführenden Eingang des Elektrolyseurs und gegebenenfalls weiteren spannungsführenden Komponenten der Elektrolyseanlage - sich ansonsten dem äußerlichen Anschein nach wenig von dem Wartungs-Betriebsmodus unterscheidet. Alternativ oder kumulativ kann die Elektrolyseanlage ebenfalls eine Sperreinrichtung aufweisen, die ausgelegt ist, in dem Standby-Betriebsmodus und gegebenenfalls auch in dem Normal-Betriebsmodus eine Berührung von spannungsführenden Komponenten der Elektrolyseanlage zu verhindern. Es ist möglich, dass die Sperreinrichtung ihre Sperrwirkung erst dann deaktiviert, wenn eine Entladung des Elektrolyseurs oder weiterer spannungsführender Komponenten der Elektrolyseanlage auf Werte unterhalb der gefahrenkritischen Spannungswerte erfolgt ist. Auf diese Weise kann ein Personenschaden, der ansonsten durch Berührung spannungsführender Komponenten erfolgen könnte, sicher ausgeschlossen werden.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen angegeben, deren Merkmale einzeln und in beliebiger Kombination miteinander angewendet werden können.
  • Figurenliste
  • Im Folgenden wird die Erfindung mithilfe von Figuren dargestellt. Von diesen zeigen
    • 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrolyseanlage;
    • 2a eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verbindungsschaltung;
    • 2b eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verbindungsschaltung;
    • 3 eine Schaltungstopologie eines AC/DC-Wandlers des erfindungsgemäßen aktiv gesteuerten Gleichrichters in einer Ausführungsform;
    • 4 einen Zeitverlauf einer Eingangsspannung UEI am Eingang des Elektrolyseurs gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Figurenbeschreibung
  • In 1 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrolyseanlage 60 dargestellt. Die Elektrolyseanlage 60 beinhaltet einen aktiv gesteuerten Gleichrichter 30, der an seinem AC-Eingang 33 über einen Transformator 31 an ein Wechselspannungsnetz (AC-Netz) 20 angeschlossen ist. Ein DC-Ausgang 34 des Gleichrichters 30 ist mit einem Eingang 41 eines Elektrolyseurs 40 verbunden. Der aktiv gesteuerte Gleichrichter 30 umfasst eine AC-Trenneinheit 35, eine Filtereinheit 36 zur Reduktion/Dämpfung einer Ausbreitung von hochfrequenten Störsignalen in das AC-Netz 20 und einen AC/DC-Wandler 37. Der AC/DC-Wandler 37 ist eingerichtet, eine an einem AC-Wandlereingang 37.1 anliegende AC-Spannung mit der Amplitude Û37 in eine an einem DC-Wandlerausgang 37.2 anliegende DC-Spannung UW zu wandeln. Hierzu werden Halbleiterschalter des AC/DC-Wandlers 37 von einer Gleichrichter-Steuerungseinheit (GR-Steuerungseinheit) 39 geeignet angesteuert. Die GR-Steuerungseinheit 39 ist weiterhin in der Lage, die AC-Trenneinheit 35, gegebenenfalls auch weitere Komponenten des Gleichrichters oder der Elektrolyseanlage, anzusteuern. Zwischen dem DC-Wandlerausgang 37.2 und dem DC-Ausgang 34 des Gleichrichters ist eine erfindungsgemäße Verbindungsschaltung 1 angeordnet, die mit ihrem Eingang 5 mit dem DC-Wandlerausgang 37.2 und mit ihrem Ausgang 6 mit dem DC-Ausgang 34 des Gleichrichters 30 verbunden ist. Die Verbindungsschaltung 1 umfasst zudem eine Steuerungseinheit 7 zur Ansteuerung ihrer Komponenten, die in 1 exemplarisch als Bestandteil der GR-Steuerungseinheit 39 ausgeführt ist. Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass die GR-Steuerungseinheit 39 und die Steuerungseinheit 7 der Verbindungsschaltung 1 jeweils als separate Steuerungseinheiten ausgeführt sind. Die Elektrolyseanlage 60 umfasst zudem eine Signaleinrichtung 42 zur Signalisierung eines aktuellen Betriebsmodus des Elektrolyseurs 40. Optional kann sie zudem eine Sperreinrichtung umfassen (in 1 nicht dargestellt), die einen Personenkontakt zu spannungsführenden Komponenten der Elektrolyseanlage 60 im Standby-Betriebsmodus und/oder im Normal-Betriebsmodus des Elektrolyseurs 40 verhindert.
  • Mit der erfindungsgemäßen Verbindungsschaltung 1, die in 2 näher erläutert wird, ist der Gleichrichter 30 als erfindungsgemäßer Gleichrichter ausgelegt und eingerichtet, einen Betrieb des Elektrolyseurs 40 entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren zu steuern. Dabei kann der Elektrolyseur 40 in einem Normal-Betriebsmodus bei einer Eingangsspannung UEI oberhalb seiner Leerlaufspannung ULL betrieben werden. In dem Normal-Betriebsmodus erfolgt eine Elektrolysereaktion in dem Elektrolyseur 40, beispielsweise eine Zersetzung von Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff, wobei sich der Elektrolyseur 40 im Wesentlichen wie ein ohmscher Verbraucher verhält. Dabei wird eine Geschwindigkeit der Elektrolysereaktion mittels des Gleichrichters 30 über eine Variation der Eingangsspannung UEI des Elektrolyseurs 40 gesteuert. Der Elektrolyseur 40 kann zusätzlich in einem Standby-Betriebsmodus unterhalb der Leerlaufspannung ULL betrieben werden, bei dem keine, zumindest jedoch keine nennenswerte Elektrolysereaktion, und damit auch kein - zumindest kein nennenswerter - elektrischer Leistungsverbrauch des Elektrolyseurs 40 erfolgt.
  • Um nun einen geringen Wert einer ersten Übergangsdauer Δt1 von dem Standby-Betriebsmodus in den Normal-Betriebsmodus, wie auch einen geringen Wert einer zweiten Übergangsdauer Δt2 von dem Normal-Betriebsmodus in den Standby-Betriebsmodus zu erreichen, wird die Eingangsspannung UEI des Elektrolyseurs 40 auch in dem Standby-Betriebsmodus oberhalb eines von 0 V verschiedenen ersten Schwellwertes UTH,1 gehalten. Der erste Schwellwert UTH,1 kann so gewählt sein, dass er bei 80%, bevorzugterweise bei 90% der Leerlaufspannung ULL des Elektrolyseurs 40 liegt. Die Eingangsspannung UEI sollte jedoch vorteilhafterweise einen Wert von 95% der Leerlaufspannung des Elektrolyseurs nicht überschreiten. Auf diese Weise kann die erste Übergangsdauer Δt1, wie auch die zweite Übergangsdauer Δt2 auf einen Wert von 1s bis einige Sekunden beschränkt werden. Mittels einer derart dynamischen Änderung der Betriebszustände kann die Elektrolyseanlage 60 effizient in ein Energiemanagementsystem einer die Elektrolyseanlage 60 umfassenden Verbrauchereinrichtung, beispielsweise eines Industriebetriebes, eingebunden werden.
  • Exemplarisch ist der Transformator 31, wie auch der Gleichrichter 30 in 1 als dreiphasiger Gleichrichter 30 dargestellt. Alternativ dazu ist es jedoch auch möglich, dass das AC-Netz, der Transformator 31 wie auch der Gleichrichter 30 als einphasige Komponenten ausgeführt sind und jeweils einen Phasenleiter und einen Neutralleiteranschluss aufweisen. Gleichfalls ist es möglich, dass sie eine andere Anzahl von Phasenleitern, beispielsweise zwei Phasenleiter aufweisen. Im Rahmen der Erfindung ist auch ein direkter Anschluss des Gleichrichters 30 an das AC-Netz 20 ohne Zwischenschaltung des Transformators 31 möglich.
  • In 2a ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verbindungsschaltung 1 dargestellt. Die Verbindungsschaltung 1 umfasst einen Eingang 5 mit zwei Eingangsanschlüssen 5.1, 5.2 zum Anschluss einer DC Quelle 10, sowie einen Ausgang 6 mit zwei Ausgangsanschlüssen 6.1, 6.2 zum Anschluss des Elektrolyseurs 40. Bei der DC-Quelle 10 kann es sich insbesondere um einen eingangsseitig mit einem AC-Netz 20 verbundenen AC/DC-Wandler 37 handeln. Einer der Eingangsanschlüsse 5.1, 5.2 der Verbindungsschaltung 1 ist über eine Reihenschaltung eines Vorladewiderstandes 2 und eines Trennschalters 3 mit einem korrespondierenden der Ausgangsanschlüsse 6.1, 6.2 verbunden. Parallel zu der Reihenschaltung ist ein weiterer Trennschalter 4 angeordnet. Die Verbindungsschaltung 1 umfasst zudem eine Messeinheit 8 mit einem Spannungssensor 9.2 zur Detektion einer an dem Ausgang 6, und somit auch an dem Elektrolyseur 40, anliegenden DC-Spannung UEI, sowie einen weiteren Spannungssensor 9.2 zur Detektion einer an dem Eingang 5 anliegenden DC-Spannung UQ. Zusätzlich weist die Messeinheit 8 einen Stromsensor 9.1 zur Detektion eines über den Ausgang 6 fließenden Stroms I(t) auf. Der Trennschalter 3 und der weitere Trennschalter 4 werden von der Steuerungseinheit 7 der Verbindungsschaltung 1 gesteuert. Zudem ist die Steuerungseinheit 7 eingerichtet, mit der Messeinheit 8 zu kommunizieren und die Messeinheit 8 anzusteuern, was über eine gestrichelt dargestellte Steuerungsleitung symbolisiert ist.
  • In dem Normal-Betriebsmodus des Elektrolyseurs 40 ist der weitere Trennschalter 4 der Verbindungsschaltung 1 dauerhaft geschlossen, so dass der Elektrolyseur 40 niederohmig mit der DC-Quelle 10 verbunden ist. Der Trennschalter 3 kann dabei geöffnet oder ebenfalls geschlossen sein. In dem Standby-Betriebsmodus des Elektrolyseurs 40 ist der weitere Trennschalter 4 dauerhaft geöffnet. Der Trennschalter 3 wird in getakteter Weise geschlossen und wieder geöffnet. Dabei kann das getaktete Öffnen und Schließen des Trennschalters 3 in Abhängigkeit der detektierten am Ausgang 6 und damit der am Eingang 41 des Elektrolyseurs 40 anliegenden DC-Spannung UEI erfolgen. Auf diese Weise kann eine 2-Punkt-Regelung der Eingangsspannung UEI des Elektrolyseurs 40 realisiert werden, der zu einem Zeitverlauf der Eingangsspannung UEI des Elektrolyseurs führt, wie er in Verbindung mit 4 näher erläutert wird.
  • In 2b ist eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbindungsschaltung 1 illustriert, die viele Gemeinsamkeiten mit der ersten Ausführungsform der Verbindungsschaltung gemäß 2a aufweist. Im Folgenden werden daher hauptsächlich die Unterschiede zu der ersten Ausführungsform der Verbindungsschaltung erläutert, während zu den Gemeinsamkeiten auf die Ausführungen unter 2a verwiesen wird.
  • Gemäß der zweiten Ausführungsform ist die Verbindungschaltung 1 als DC/DC-Wandler, insbesondere als Tiefsetzsteller 14 ausgeführt. Dabei ist der erste Eingangsanschluss 5.1 der Verbindungsschaltung 1 über eine Serienschaltung des Trennschalters 3 und einer Induktivität 11 mit dem korrespondierenden Ausgangsanschluss 6.1 verbunden. Der Trennschalter 3 ist in 2b als aktiv steuerbarer Halbleiterschalter ausgeführt und wird durch die Steuerungseinheit 7 angesteuert. Weiterhin weist die Verbindungsschaltung 1 einen weiteren Halbleiterschalter 12 auf, der einen Verbindungspunkt 13 zwischen dem Trennschalter 3 und der Induktivität 11 mit dem anderen Eingangsanschluss 5.2 der Verbindungsschaltung 1 verbindet. In 2b ist der weitere Halbleiterschalter 12 als aktiv steuerbare Halbleiterschalter ausgebildet, der ebenfalls von der Steuerungseinheit 7 angesteuert wird. Alternativ dazu ist es jedoch auch möglich, dass der weitere Halbleiterschalter 12 als Diode ausgeführt ist. Der weitere Trennschalter 4 der Verbindungsschaltung 1 ist als elektromechanischer Trennschalter ausgebildet und parallel zu der Serienschaltung aus Trennschalter 3 und Induktivität 11 angeordnet.
  • Während des Standby-Betriebsmodus des Elektrolyseurs 40 kann die am Eingang 5 anliegenden DC-Spannung UQ durch geeignete Ansteuerung des Trennschalters 3 und des weiteren Halbleiterschalters 12 in eine am Ausgang 6 anliegende DC-Spannung UEI umgewandelt werden. Dabei ist der weitere Trennschalter 4 dauerhaft geöffnet und die Ausgangsspannung UEI wird über einen getakteten Betrieb des Trennschalters 3 und des weiteren Halbleiterschalters 12 oberhalb des ersten Spannungsschwellwertes UTH,1 gehalten. Während des Normal-Betriebsmodus ist der weitere Trennschalter 4 dauerhaft geschlossen, so dass der erste Eingangsanschluss 5.1 niederimpedant mit dem ersten Ausgangsanschluss 6.1 verbunden ist. Der weitere Halbleiterschalter 12 ist in dem Normal-Betriebsmodus dauerhaft geöffnet.
  • In 3 ist eine Ausführungsform eines AC/DC-Wandlers 37 des aktiv gesteuerten Gleichrichters 30 aus 1 dargestellt. Entsprechend dem Gleichrichter 30 aus 1 ist der AC/DC-Wandler 37 exemplarisch als dreiphasiger AC/DC-Wandler 37 ohne einen separaten Neutralleiteranschluss ausgebildet und umfasst eine Wandlerschaltung 50 mit insgesamt drei Brückenzweigen 51. Jeder der Brückenzweige 51 weist zwei in Reihe geschaltete Halbleiterschalter 52 auf, denen jeweils eine antiparallel verschaltete Freilaufdiode 53 zugeordnet ist. Die Freilaufdiode 53 kann als intrinsische Diode des jeweiligen Halbleiterschalters 52, oder als separate Diode ausgebildet sein. Bei den Halbleiterschaltern 52 kann es sich um MOSFET oder IGBT Halbleiterschalter handeln. Entsprechend der dreiphasigen Ausgestaltung der Wandlerschaltung 50 umfasst der AC-Wandlereingang 37.1 des AC/DC-Wandlers 37 drei Eingangsanschlüsse, die jeweils mit einem Verbindungspunkt 54 der beiden Halbleiterschalter 52 des ihnen zugeordneten Brückenzweiges 51 verbunden sind. Der DC-Wandlerausgang 37.2 des AC/DC-Wandlers 37 umfasst einen positiven (+) und einen negativen Ausgangsanschluss (-).
  • Der AC/DC-Wandler 37 ist ausgelegt, bei der Umwandlung von Leistung eine Wirkleistung P(t) von seinem AC-Wandlereingang 37.1 zu seinem DC-Wandlerausgang 37.2, gegebenenfalls auch in umgekehrter Richtung von seinem DC-Wandlerausgang 37.2 zu seinem AC-Wandlereingang 37.1 zu transportieren. Zudem kann der AC/DC-Wandler 37 ausgebildet sein, eine Blindleistung Q(t) zwischen dem AC-Wandlereingang 37.1 des AC/DC-Wandlers 37 und einem mit dem AC-Wandlereingang 37.1 verbundenen AC-Netz 20 (in 3 nicht explizit dargestellt) auszutauschen. Zum Zweck der Leistungsumwandlung werden die Halbleiterschalter 52 von der (in 3 nicht explizit dargestellten) GR-Steuerungseinheit 39 des Gleichrichters geeignet angesteuert. Dabei kann eine Höhe der gewandelten DC-Spannung UW, mit anderen Worten der DC-Spannungsbereich, Werte zwischen einer minimalen DC-Spannung UW,min und einer maximalen DC-Spannung UW,max annehmen. Die minimale DC-Spannung UW,min ist über die Freilaufdioden 53 auf einen Wert begrenzt, der - abgesehen von einer Durchlassspannung der Freilaufdioden 53 - der Amplitude Û37 der am AC-Wandlereingang 37.1 anliegenden AC-Spannung entspricht. Aufgrund der Freilaufdioden 53 ist die Wandlerschaltung 50 somit in der Lage, eine DC-Spannung UW am DC-Wandlerausgang 37.2 zu erzeugen, die zwar größer, aber nicht kleiner, zumindest nicht signifikant kleiner als die Amplitude Û37 der eingangsseitig anliegenden AC-Spannung ist. Dabei steigen die Umwandlungsverluste mit zunehmendem Verhältnis der ausgangsseitig anliegenden DC-Spannung Uw zu der Amplitude Û37 der eingangsseitig anliegenden AC-Spannung. Um nun die Wandlungsverluste bei hohen DC-Spannungen zu reduzieren, kann die AC-Spannung am AC-Wandlereingang 37.1, und damit auch die minimale DC-Spannung am DC-Wandlerausgang 37.2, oberhalb der Leerlaufspannung ULL des Elektrolyseurs liegen. Dies kann beispielsweise über eine entsprechende Auslegung eines Transformators 31 erfolgen, über den der AC/DC-Wandler 37 mit dem AC-Netz 29 verbunden ist.
  • In 3 ist exemplarisch eine zweistufige Wandlerschaltung 50 mit lediglich zwei Spannungsstufen dargestellt. Im Rahmen der Erfindung ist jedoch auch eine Wandlerschaltung 50 mit mehr als zwei Spannungsstufen, beispielsweise eine dreistufige, oder eine fünfstufige Wandlerschaltung möglich. Weiterhin ist es im Rahmen der Erfindung möglich, dass die Wandlerschaltung als Mittelpunktschaltung ausgebildet ist. Hierbei kann ein Ausgangsanschluss, beispielsweise der negative Ausgangsanschluss (-), des DC-Wandlerausgangs 37.2 mit einem Mittelpunktabgriff eines mit dem AC-Wandlereingang 37.1 verbundenen Transformators 31 verbunden sein. Alternativ kann der negative Ausgangsanschluss (-) auch mit einem Neutralleiter des AC-Netzes 20 verbunden sein.
  • Die 4 illustriert einen Zeitverlauf der Eingangsspannung UEI des Elektrolyseurs 40 bei einem Übergang von seinem Standby-Betriebsmodus in seinen Normal-Betriebsmodus gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Weiterhin sind in 4 Zeitverläufe der Eingangsspannung UEL dargestellt, wie sie in dem zeitlich vor dem Übergang angeordneten Standby-Betriebsmodus und in dem zeitlich nach dem Übergang angeordneten Normal-Betriebsmodus unter Verwendung der Verbindungsschaltung 1 aus 2a auftreten können.
  • In dem Standby-Betriebsmodus weist die Eingangsspannung UEI als Funktion der Zeit einen sägezahnähnlichen Verlauf auf, der sich zwischen einem unteren Grenzwert - gebildet aus dem ersten Spannungsschwellwert UTH,1 - und einem oberen Grenzwert bewegt. Dabei ist der obere Grenzwert so gewählt, dass er 95% der Leerlaufspannung ULL des Elektrolyseurs 40 entspricht. Der sägezahnähnliche Verlauf resultiert aus einem getakteten Schließen und Öffnen des Trennschalters 3 bei dauerhaft geöffnetem weiteren Trennschalter 4 der Verbindungsschaltung 1. Er umfasst temporäre Ladephasen des Elektrolyseurs 40, bei denen ein Anstieg der Eingangsspannung UEI erfolgt. Dabei wird eine dem Elektrolyseur 40 zugeordnete Kapazität mittels des geschlossenen Trennschalters 3 der Verbindungsschaltung 1 und eines dadurch ermöglichten über den Vorladewiderstand 2 fließenden Stroms I(t) aufgeladen. Die Anstiege der Eingangsspannung UEI sind jeweils gefolgt von Entladephasen mit ihnen zugeordneten Spannungsabnahmen. Die Spannungsabnahmen resultieren aus einem nicht ganz zu verhindernden Leckstrom innerhalb des Elektrolyseurs 40. In 4 ist die illustrierte Steilheit der Spannungsabnahmen rein exemplarischer Natur und kann, je nach Höhe des auftretenden Leckstroms, auch deutlich geringer ausfallen, als dies in 4 dargestellt ist.
  • Zum Zeitpunkt to wird dem aktiv gesteuerten Gleichrichter 30, beispielsweise durch ein Energiemanagementsystem einer die Elektrolyseanlage 60 umfassenden Verbrauchereinrichtung, signalisiert, dass der Elektrolyseur 40 in seinen Normal-Betriebsmodus versetzt werden soll. Hierzu wird der weitere Trennschalter 4 der Verbindungsschaltung 1 geschlossen und der Elektrolyseur 40 niederohmig mit der DC-Quelle 10, gebildet aus dem AC/DC-Wandler 37 mit vorgeschaltetem AC-Netz 20, verbunden. Gleichzeitig werden die Halbleiterschalter 52 des AC/DC-Wandlers 37 über die GR-Steuerungseinheit 39 derart angesteuert, dass der AC/DC-Wandler 37 am DC-Wandlerausgang 37.2 eine DC-Spannung aufweist, die einem in dem Normal-Betriebsmodus gewünschten Spannungs-Sollwert UEI,Soll für dessen Eingangsspannung entspricht. Da die Eingangsspannung UEI des Elektrolyseurs 40 schon im Standby-Betriebsmodus sich nahe der Leerlaufspannung ULL befindet, ist nur eine deutlich reduzierte Spannungsänderung bis zum Erreichen des SpannungsSollwertes UEI,Soll, und daher auch nur ein deutlich reduzierter Ladungstransport in den Elektrolyseur 40 erforderlich. Die erste Übergangsdauer Δt1 zwischen dem Standby-Betriebsmodus und dem Normal-Betriebsmodus ist daher relativ zu einem von 0V erfolgten Vorladen des Elektrolyseurs signifikant reduziert. Gleiches gilt sinngemäß auch für die zweite Übergangsdauer Δt2 bei einem Übergang von dem Normal-Betriebsmodus in den Standby-Betriebsmodus des Elektrolyseurs 40.
  • Wird statt der ersten Ausführungsform der Verbindungschaltung 1 die zweite Ausführungsform gemäß 2b verwendet, so ergibt sich ein ähnlicher Zeitverlauf, wie er 4 dargestellt ist. Der sägezahnähnliche Verlauf in dem Standby-Betriebsmodus kann jedoch extrem geringe und vernachlässigbare Spannungsunterschiede aufweisen, so dass dort näherungsweise eine zeitlich konstante DC-Spannung eingestellt werden kann.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Verbindungsschaltung
    2
    Vorladewiderstand
    3
    Trennschalter
    4
    Trennschalter
    5
    Eingang
    5.1, 5.2
    Eingangsanschluss
    6
    Ausgang
    6.1, 6.2
    Ausgangsanschluss
    7
    Steuerungseinheit
    8
    Messeinheit
    9.1
    Stromsensor
    9.2
    Spannungssensor
    10
    DC-Quelle
    11
    Induktivität
    12
    Halbleiterschalter
    13
    Verbindungspunkt
    14
    Tiefsetzsteller
    20
    AC-Netz
    30
    Gleichrichter
    31
    Transformator
    33
    AC-Eingang
    34
    DC-Ausgang
    35
    AC-Trenneinheit
    36
    Filtereinheit
    37
    AC/DC-Wandler
    37.1
    AC-Wandlereingang
    37.2
    DC-Wandlerausgang
    39
    Gleichrichter (GR) - Steuerungseinheit
    40
    Elektrolyseur
    41
    Eingang (des Elektrolyseurs)
    50
    Wandlerschaltung
    51
    Brückenzweig
    52
    Halbleiterschalter
    53
    Freilaufdiode
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • FR 2972200 A1 [0006]

Claims (18)

  1. Verfahren zum Betrieb eines Elektrolyseurs (40), der über einen aktiv gesteuerten Gleichrichter (30) aus einem Wechselspannungs (AC) - Netz (20) versorgt wird, mit den Schritten: - Betreiben des Elektrolyseurs (40) in einem Normal-Betriebsmodus bei einer Eingangsspannung UEI oberhalb einer Leerlaufspannung ULL mit einem überwiegend ohmschen Verhalten, - Betreiben des Elektrolyseurs (40) in einem Standby-Betriebsmodus bei einer Eingangsspannung UEI unterhalb der Leerlaufspannung ULL mit überwiegend kapazitivem Verhalten, und - Übergang von dem Standby-Betriebsmodus in den Normal-Betriebsmodus während einer ersten Übergangsdauer Δt1, wobei die erste Übergangsdauer Δt1 dadurch reduziert wird, dass die Eingangsspannung UEI am Eingang (41) des Elektrolyseurs (40) während des Standby-Betriebsmodus oberhalb eines von 0V verschiedenen ersten Spannungsschwellwertes UTH,1 gehalten wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste Spannungsschwellwert UTH,1 einem Wert von zumindest 80%, bevorzugt von zumindest 90% der Leerlaufspannung ULL. entspricht.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Eingangsspannung UEI am Eingang (41) des Elektrolyseurs (40) im Standby-Betriebsmodus um zumindest 5% unterhalb der Leerlaufspannung ULL des Elektrolyseurs (40) gehalten wird.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend den Schritt: - Übergang von dem Normal-Betriebsmodus in den Standby-Betriebsmodus während einer zweiten Übergangsdauer Δt2, wobei die zweite Übergangsdauer Δt2 dadurch reduziert wird, dass die Eingangsspannung UEI am Eingang (41) des Elektrolyseurs (40) während des Standby-Betriebsmodus oberhalb des von 0V verschiedenen ersten Spannungsschwellwertes UTH,1 gehalten wird.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Eingangsspannung UEI des Elektrolyseurs im Standby-Betriebsmodus oberhalb des ersten Spannungsschwellwertes UTH,1 gehalten wird, indem dessen Eingang (41) über einen Vorladewiderstand (2) und/oder eine Induktivität (11) in getakteter Weise mit dem DC-Wandlerausgang (37.2) eines dem Gleichrichter (30) zugeordneten AC/DC-Wandlers (37) verbunden wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das getaktete Verbinden des Eingangs (41) des Elektrolyseurs (40) mit dem DC-Wandlerausgang (37.2) mittels einer ZweiPunkt-Regelung erfolgt.
  7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine minimale DC-Spannung UW,min am DC-Wandlerausgang (37.2) des AC/DC-Wandlers (37) oberhalb der Leerlaufspannung ULL des Elektrolyseurs (40) liegt.
  8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Elektrolyseur (40) bei vorgegebenen Rahmenbedingungen zusätzlich in einem Wartungs-Betriebsmodus betrieben wird, bei dem die Eingangsspannung UEI des Elektrolyseurs (40) unterhalb eines gefahrenkritischen Spannungswertes, insbesondere bei einem Wert von 0V liegt.
  9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Elektrolyseur (40) einer Verbrauchereinrichtung, beispielsweise einem Industriebetrieb zugeordnet ist, und wobei zumindest ein Wechsel zwischen dem Normal-Betriebsmodus und dem Standby-Betriebsmodus des Elektrolyseurs (40) während eines Berechnungszeitraums mit dem Ziel erfolgt, dass eine für den Berechnungszeitraum zwischen der Verbrauchereinrichtung und einem Energieversorger vereinbarte maximale Energie ΔE nicht überschritten wird.
  10. Verbindungsschaltung (1) zwischen einer DC-Quelle (10), insbesondere zwischen einem DC-Wandlerausgang (37.2) eines AC/DC-Wandlers (37), der mit seinem AC-Wandlereingang (37.1) mit einem AC-Netz (20) verbunden ist, und einem Elektrolyseur (40) umfassend: - einen Eingang (5) mit zwei Eingangsanschlüssen (5.1, 5.2) zur Verbindung der Verbindungsschaltung (1) mit der DC-Quelle (10), sowie einen Ausgang (6) mit zwei Ausgangsanschlüssen (6.1, 6.2) zur Verbindung der Verbindungsschaltung (1) mit dem Eingang (41) des Elektrolyseurs (40), - eine Serienschaltung aus einem Vorladewiderstand (2) und einem Trennschalter (3) oder eine Serienschaltung aus einer Induktivität (11) und einem Trennschalter (3), wobei die Serienschaltung einen der Eingangsanschlüsse (5.1, 5.2) mit einem korrespondierenden der Ausgangsanschlüsse (6.1, 6.2) verbindet, - einen weiteren Trennschalter (4), der parallel zu dem Vorladewiderstand (2), der Induktivität (11) oder parallel zu der Serienschaltung angeordnet ist, - eine Messeinheit (8) zur Bestimmung einer Spannungsdifferenz zwischen einer an dem Ausgang (6) anliegenden DC-Spannung UEI und einer an dem Eingang (5) anliegenden DC-Spannung UQ, und - eine Steuerungseinheit (7) zur Steuerung der Verbindungsschaltung (1), insbesondere des Trennschalters (3) und des weiteren Trennschalters (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsschaltung (1) ausgelegt und eingerichtet ist, in Verbindung mit der DC-Quelle den Elektrolyseur (40) gemäß dem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche zu betreiben
  11. Verbindungsschaltung (1) nach Anspruch 10, wobei der Trennschalter (3) einen Halbleiterschalter und/oder einen elektromagnetischen Schalter umfasst.
  12. Verbindungsschaltung (1) nach Anspruch 10 oder 11, wobei der weitere Trennschalter (4) durch einen elektromechanischen Schalter gebildet ist, dem optional ein Halbleiterschalter parallelgeschaltet ist.
  13. Verbindungsschaltung (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Serienschaltung über den Trennschalter (3) und die Induktivität (11) gebildet wird, und wobei die Verbindungsschaltung (1) als DC/DC-Wandler, insbesondere als Tiefsetzsteller (14) ausgelegt und eingerichtet ist.
  14. Aktiv gesteuerter Gleichrichter (30) zur Versorgung eines Elektrolyseurs (40) aus einem eine AC-Spannung aufweisenden AC-Netz (20), umfassend: - einen AC-Eingang (33) mit mehreren Eingangsanschlüssen zum Anschluss des AC-Netzes (20) und einen DC-Ausgang (34) mit zwei Ausgangsanschlüssen zum Anschluss des Elektrolyseurs (40) - sowie einen AC/DC-Wandler (37) mit einer Wandlerschaltung, die Halbleiterschalter (52) mit dazu antiparallel verschalteten Freilaufdioden (53) umfasst, und - eine Gleichrichter (GR) - Steuerungseinheit (39) zur Ansteuerung der Halbleiterschalter (52) des Gleichrichters (30), dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter (30) zudem eine Verbindungsschaltung (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 13 aufweist.
  15. Aktiv gesteuerter Gleichrichter (30) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Serienschaltung der Verbindungsschaltung (1) durch den Trennschalter (3) und den Vorladewiderstand (2) gebildet wird und der Gleichrichter (30) als einstufiger Gleichrichter (30) ausgebildet ist.
  16. Aktiv gesteuerter Gleichrichter (30) nach Anspruch 14 mit einer Verbindungsschaltung (1) nach Anspruch 13, so dass der Gleichrichter (30) als zweistufiger Gleichrichter (30) ausgebildet ist, der einen zwischen dem AC/DC-Wandler (37) und dem DC-Ausgang (6) des Gleichrichters (30) angeordneten DC/DC-Wandler umfasst.
  17. Elektrolyseanlage (60) umfassend einen aktiv gesteuerten Gleichrichter (30) nach einem der Ansprüche 14 bis 16 und einen ausgangsseitig an den aktiv gesteuerten Gleichrichter (30) angeschlossenen Elektrolyseur (40).
  18. Elektrolyseanlage (60) nach Anspruch 17, mit einer Signaleinrichtung (42), die ausgelegt ist, einen aktuellen Betriebsmodus des Elektrolyseurs (40) zu signalisieren, und wobei die Elektrolyseanlage (60) optional zusätzlich eine Sperreinrichtung aufweist, die ausgelegt ist, in dem Standby-Betriebsmodus und gegebenenfalls auch in dem Normal-Betriebsmodus eine Berührung von spannungsführenden Komponenten der Elektrolyseanlage (60) zu verhindern.
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