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Die Erfindung betrifft eine Elektrolyseanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Gattungsgemäße Elektrolyseanlage sind aus der Praxis bekannt. Sie dienen dazu, beispielsweise an Orten mit geringer Infrastruktur, eine elektrische Energieversorgung zu ermöglichen. Zu diesem Zweck wird mittels regenerativer Energien, beispielsweise durch Windkraft oder Photovoltaik, elektrische Energie erzeugt, die zumindest teilweise unmittelbar den zu versorgenden Verbrauchern bereitgestellt werden kann. Ein demgegenüber erzeugter Überschuss an elektrischer Energie dient zum Betrieb eines Elektrolyseurs, der aus Wasser Wasserstoffgas erzeugt. Das Wasserstoffgas dient als Energiespeichermedium und wird zwischengespeichert. Zeitversetzt, beispielsweise wenn der Energiebedarf der zu versorgenden Verbraucher das Energieangebot der Windkraft- oder Photovoltaikanlage übersteigt, kann mittels der Brennstoffzelle das zunächst zwischengespeicherte Wasserstoffgas zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt werden.
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Überall dort, wo das zur Wasserstofferzeugung erforderliche Wasser verfügbar ist, kann dementsprechend eine möglichst durchgängige Versorgung mit elektrischer Energie ermöglicht werden, so dass das Erfordernis entfällt, fossile Brennstoffe zum Betrieb eines elektrischen Generators an die entsprechenden Orte transportieren zu müssen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Elektrolyseanlage dahingehend zu verbessern, dass diese unabhängig von einer äußeren Energieversorgung betrieben werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Elektrolyseanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhaft Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die Erfindung schlägt mit anderen Worten vor, die Elektrolyseanlage so auszugestalten, dass sie völlig autark im Inselbetrieb betrieben werden kann. Die von der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie wird daher auch zum Betrieb der Elektrolyseanlage selbst genutzt, nämlich zum Betrieb des Elektrolyseurs und weiterer Komponenten, welche die Elektrolyseanlage aufweist und die zur Herstellung von Wasserstoff benötigt werden. Dies betrifft beispielsweise eine Einrichtung zur Wasseraufbereitung, mittels welcher sichergestellt wird, dass bestimmte Inhaltsstoffe des zu verwendenden Wassers bestimmte Grenzwerte nicht überschreiten und / oder dass bestimmte physikalische Eigenschaften des Wassers wie z.B. eine höchstzulässige elektrische Leitfähigkeit nicht überschritten wird, um beispielsweise Kurzschlüsse innerhalb des Elektrolyseurs zu verhindern. Dies betrifft auch einen Verdichter, der dazu bestimmt ist, das hergestellte Wasserstoffgas unter Druck in den Wasserstofftank einbringen zu können, beispielsweise mit einem Betriebsdruck von 350 bar. Dies betrifft weiterhin eine Kühleinrichtung, die zur Vermeidung einer Überhitzung der Elektrolyseanlage vorgesehen sein kann und in Art eines Wärmetauschers die beim Betrieb der Elektrolyseanlage anfallende Wärme als Abwärme oder Verlustwärme in die Umgebung abgibt, indem beispielsweise ein Gebläse im Bereich dieses Wärmetauschers mit der von der Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Energie betrieben wird. Falls vorgesehen ist, das erzeugte Wasserstoffgas an einer sogenannten Zapfstelle zur Betankung von Fahrzeugen zu verwenden, kann auch eine an dieser Zapfstelle vorgesehene Kühleinrichtung bzw. das dazu vorgesehene Kühlaggregat mit der von der Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Energie betrieben werden.
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Für den Fall, dass die Elektrolyseanlage nicht in Betrieb war, aber auch ohne externe Energie, beispielsweise von der Windkraft- oder Photovoltaikanlage, in Betrieb genommen werden soll, weist vorschlagsgemäß die Elektrolyseanlage eine Pufferbatterie auf, so dass die Brennstoffzelle in Betrieb gesetzt werden kann. Auf diese Weise ist jederzeit sichergestellt, dass die Elektrolyseanlage betrieben werden kann und mittels der Brennstoffzelle elektrische Energie bereitstellen kann, entweder zur elektrischen Versorgung externer Verbraucher, oder um den Betrieb der Elektrolyseanlage selbst zu ermöglichen und Wasserstoff herstellen zu können.
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Vorteilhaft sind sämtliche Komponenten der Elektrolyseanlage so ausgestaltet, dass sie mit Gleichspannung betrieben werden können. Auf diese Weise werden Umwandlungsverluste vermieden und der energetische Wirkungsgrad der Elektrolyseanlage verbessert.
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Die Brennstoffzelle kann in einer Ausgestaltung der Elektrolyseanlage, wie oben bereits angesprochen, dazu genutzt werden, externe Verbraucher mit elektrischer Energie zu versorgen. In diesem Fall ist die Brennstoffzelle elektrisch an einen elektrischen Ausgang der Elektrolyseanlage angeschlossen, so dass eine Versorgungsleitung an diesen Ausgang angeschlossen werden kann, die zu dem Verbraucher führt.
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Der erwähnte elektrische Ausgang kann beispielsweise dazu genutzt werden, elektrische Verbraucher mit derselben Betriebsspannung zu versorgen, wie sie aus öffentlichen Spannungsnetzen bekannt ist. Daher kann dem elektrischen Ausgang ein Wechselrichter zugeordnet sein, so dass die von der Brennstoffzelle in Form einer Gleichspannung bereitgestellte elektrische Energie in eine Wechselspannung umgesetzt werden kann. Weiterhin keinen Transformator vorgesehen sein, um die von der Brennstoffzelle bereitgestellte Spannung auf den gewünschten Wert zu transformieren. Beispielsweise können am elektrischen Ausgang Wechselspannungen von 120 oder 240 V mit einer Frequenz von 50 oder 60 Hz anliegen, wie dies in vielen Regionen der Erde für öffentliche Spannungsnetze bekannt ist.
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Für den Elektrolyseur und auch für die Brennstoffzelle sind von den jeweiligen Herstellern typischerweise gewisse Mindesttemperaturen vorgeschrieben, die beim Betrieb der Elektrolyseanlage nicht unterschritten werden dürfen. Um auch bei Außentemperaturen, welche diese Mindesttemperaturen unterschreiten, die Elektrolyseanlage betreiben zu können, kann die Elektrolyseanlage vorteilhaft einen Wärmetauscher aufweisen, der dazu dient, die beim Betrieb der Elektrolyseanlage anfallende Wärme zur Beheizung von Komponenten der Elektrolyseanlage nutzen zu können. Beispielsweise kann durch ein Wärmeträgerfluid, z.B. in Art einer Wasserkühlung, die beim Betrieb der Elektrolyseanlage anfallende Wärme an einen Fluidkreislauf übertragen werden, der dazu vorgesehen ist, die zu erwärmenden Komponenten der Elektrolyseanlage auf die gewünschte Temperatur zu bringen.
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Andererseits kann die beim Betrieb der Elektrolyseanlage entstehende Wärme dazu führen, dass eine vorgeschriebene Höchsttemperatur erreicht oder überschritten werden kann, insbesondere beispielsweise dann, wenn die Elektrolyseanlage innerhalb eines geschlossenen Gehäuses oder Gebäudes angeordnet ist. In einer Ausgestaltung der Elektrolyseanlage kann daher vorgesehen sein, dass die Elektrolyseanlage einen Wärmetauscher aufweist, der dazu dient, die entstandene Wärme nicht innerhalb der Elektrolyseanlage nutzbar zu machen, sondem sie vielmehr aus der Elektrolyseanlage abzuführen und einem externen Wärmeabnehmer bereitzustellen. Im Sinne einer Kraft-Wärme-Kopplung kann daher vorgesehen sein, einem externen Wärmeabnehmer die Wärme gezielt zuzuführen, beispielsweise zur Beheizung von Gebäuden oder technischen Einrichtungen. Es kann aber auch vorgesehen sein, mittels des Wärmetauschers die Wärme in die Umgebung als Wärmeabnehmer abzugeben, beispielsweise in die Umgebungsluft oder in ein Gewässer.
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In einer Ausgestaltung kann die Elektrolyseanlage ein optimiertes Wärmemanagement aufweisen. Elektrolyseanlagen werden typischerweise aus mehreren Komponenten zusammengestellt, die von unterschiedlichen Herstellern stammen. Dabei wird jede einzelne Komponente für sich betrachtet, so dass die einzelnen Komponenten beispielsweise jeweils über eigene Heiz- und / oder Kühleinrichtungen verfügen. Das optimierte Wärmemanagement kann mittels einer Wärmesteuerung ermöglicht werden, die beispielsweise in Form einer elektronischen Steuerung ausgestaltet sein kann und in der die verschiedenen Soll-Temperaturbereiche hinterlegt sind, die für den Betrieb der einzelnen Komponenten der Elektrolyseanlage jeweils zulässig bzw. wünschenswert sind. Über Sensoren können die jeweils momentan herrschenden Ist-Temperaturen erfasst und automatisch mit den hinterlegten Soll-Temperaturen verglichen werden, so dass innerhalb der Elektrolyseanlage automatisch mittels der Wärmesteuerung Temperaturniveaus ausgeglichen werden können und beispielsweise ein Wärme-Überangebot einer bestimmten Komponente dazu genutzt werden kann, den Wärmebedarf einer anderen Komponente zu decken. Auf diese Weise kann der Energiebedarf der Elektrolyseanlage und dementsprechend deren energetischer Wirkungsgrad verbessert werden.
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In das optimierte Wärmemanagement, welches mittels der Wärmesteuerung ermöglicht wird, sind folgende Komponenten der Elektrolyseanlage eingebunden, sofern sie in der Elektrolyseanlage vorhanden bzw. daran angeschlossen sind: der Elektrolyseur und die Brennstoffzelle, da in diesen beiden Komponenten flüssiges Wasser vorliegt und eine Vereisung, die aufgrund der Volumenausdehnung zu einer Beschädigung der Komponenten führen könnte vermieden werden muss. Dementsprechend ist für diese beiden Komponenten vorgeschrieben, dass sie jeweils eine bestimmte Betriebstemperatur nicht unterschreiten dürfen. Bei einem Verdichter, der dazu dient, das erzeugte Wasserstoffgas für die Zwischenspeicherung auf den entsprechenden Speicherdruck zu verdichten, beispielsweise auf 350 bar, kann vorgesehen sein, dass dieser während des Betriebs gekühlt wird. Ggf. kann der Verdichter bei entsprechenden Außentemperaturen auch gegen Vereisung geschützt werden, indem er beheizt wird. Auch für eine Kühleinrichtung, die vorgesehen sein kann, um eine Betankung von Fahrzeugen mit dem erzeugten Wasserstoffgas zu ermöglichen, ist ein Temperaturfenster vorgegeben, das einzuhalten ist. Schließlich kann auch der weiter oben erwähnte Wärmetauscher in das Wärmemanagement eingebunden sein, der entweder zur Wärmeversorgung externer Verbraucher dient, oder zur Einhaltung einer bestimmten zulässigen Höchsttemperatur innerhalb der Elektrolyseanlage. Weiterhin kann ein Wärmetauscher als Heizkörper in dem Raum angeordnet sein, in dem die Elektrolyseanlage installiert ist, so dass beispielsweise auch solche Komponenten der Elektrolyseanlage vor unzulässig niedrigen Temperaturen geschützt werden können, die keine ausreichende Abwärme selbst erzeugen.
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Ausführungsbeispiel der Erfindung werden anhand der rein schematischen Darstellungen nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigt
- 1 ein schematisches Schaubild eines ersten Ausführungsbeispiels einer Elektrolyseanlage, und
- 2 ein Schaubild ähnlich dem der 1 für ein zweites Ausführungsbeispiel einer Elektrolyseanlage.
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1 zeigt in erster Linie die Wärme- und Energieströme einer Elektrolyseanlage 1, die durch einen geschlossenen Rahmen symbolisiert ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Elektrolyseanlage 1 innerhalb eines ISO-Containers installiert ist, so dass der in der Zeichnung dargestellte Rahmen auch den Container symbolisiert. Die Elektrolyseanlage 1 weist einen Elektrolyseur 2 auf. Dem Elektrolyseur 2 wird Wasser über eine Wasserzuleitung 3 zugeführt sowie elektrische Energie in Form von Gleichstrom über eine elektrische Versorgungsleitung 4. Der erzeugte Wasserstoff wird über eine Wasserstoffleitung 5 zu einem Wasserstoff-Abnehmer 6 außerhalb der Elektrolyseanlage 1 geführt, bei dem es sich entweder um einen Wasserstoff-Verbraucher oder um einen Speichertank handeln kann, in welchem der Wasserstoff zwischengespeichert wird. Über eine Abzweigung verzweigt sich die Wasserstoffleitung 5 auch zu einer Brennstoffzelle 7, so dass bedarfsweise der Wasserstoff auch dazu genutzt werden kann, mittels der Brennstoffzelle 7 elektrischen Strom zu erzeugen.
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Dementsprechend verläuft von der Brennstoffzelle 7 eine elektrische Stromleitung 8 zu einem Stromabnehmer 9 außerhalb der Elektrolyseanlage 1, so dass die Elektrolyseanlage 1 ähnlich wie ein elektrischer Generator oder ein Notstromaggregat externe Verbraucher mit elektrischer Energie versorgen kann. Auch die Stromleitung 8 verfügt über eine Abzweigung, so dass die elektrische Energie zur Speisung einer Pufferbatterie 10 genutzt werden kann. Die Pufferbatterie 10 ermöglicht ihrerseits die elektrische Versorgung der Brennstoffzelle 7 auch ohne eine elektrische Energiezufuhr von außerhalb der Elektrolyseanlage 1, so dass die Elektrolyseanlage 1, auch wenn sie sich zunächst nicht in Betrieb befinden sollte, in Art einer Insellösung autark starten und ihren Betrieb aufnehmen kann.
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Abgesehen davon, dass über die Wasserzuleitung 3 Frischwasser in die Elektrolyseanlage 1 eingeleitet wird, welches zur Gewinnung des Wasserstoffgases benötigt und verbraucht wird, dienen Wasserleitungen 11 dazu, Wasser als Wärmeträgermedium innerhalb der Elektrolyseanlage 1 zu führen. Wasser aus dem Elektrolyseur 2 gelangt in einen ersten Wärmetauscher 12, der dem Elektrolyseur 2 zugeordnet ist, und von dort in einen zweiten Wärmetauscher 14, der der Brennstoffzelle 7 zugeordnet ist und dem auch Wasser aus der Brennstoffzelle 7 zugeführt wird. Das vergleichsweise warme Wasser gelangt zu einem ersten Mehrwegeventil 15 und kann von entweder zu einem Heizkörper 16 geführt werden, der ebenfalls einen in die Wasserleitungen 11 eingebundenen Wärmetauscher darstellt und zur Beheizung der Elektrolyseanlage 1 dient, beispielsweise zur Beheizung des Innenraums des erwähnten ISO-Containers. Alternativ kann das vergleichsweise warme Wasser vom Mehrwegeventil 15 aus zu einem Wärmeabnehmer 17 geführt werden und somit die Wärme aus der Elektrolyseanlage 1 herausgeführt werden. Der Wärmeabnehmer 17 kann beispielsweise als Wärmetauscher ausgestaltet sein der die Wärme als Verlustwärme in die Umgebung abgibt, oder der die Wärme an ein Wärmeträgermedium abgibt, welches beispielsweise in Art einer Fernwärmeleitung zur Beheizung eines Gebäudes oder einer technischen Einrichtung außerhalb des Containers dient.
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Durch die Wärmeabgabe im Heizkörper 16 oder im Wärmeabnehmer 17 wird die Temperatur des Wassers abgesenkt, so dass dementsprechend vergleichsweise kaltes Wasser zu einem zweiten Mehrwegeventil 18 zurückströmt und von dort im Kreislauf zu dem ersten Wärmetauscher 12 in der Nähe des Elektrolyseurs 2 zurückgeführt wird.
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Mittels einer elektronischen Steuerung, die als Wärmesteuerung bezeichnet wird, kann ein optimiertes Wärmemanagement der Elektrolyseanlage 1 erreicht werden, indem zentral mittels der Wärmesteuerung der jeweilige Wärme- oder Kühlbedarf der einzelnen Komponenten der Elektrolyseanlage 1 berücksichtigt wird.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Elektrolyseanlage 1, die gegenüber dem Ausführungsbeispiel der 1 um einige Komponenten erweitert ist. Vergleichbare Komponenten sind mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet wie im Ausführungsbeispiel der 1, und nachfolgend wird lediglich auf die Unterschiede zu dem Ausführungsbeispiel der 1 eingegangen.
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In die Stromleitung 8 ist ein Wechselrichter 19 eingebunden, so dass dem Stromabnehmer 9 Wechselstrom bereitgestellt werden kann, während Gleichstrom, beispielsweise aus der Gleichstromseite des Wechselrichters 19, zur Gleichstrom-Versorgung der Elektrolyseanlage 1 genutzt werden kann, wie der Pfeil andeutet der unterhalb der elektrischen Versorgungsleitung 4 in das Innere der Elektrolyseanlage 1 mündet.
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Außerhalb der Elektrolyseanlage 1 ist ein Verdichter 20 dargestellt, der dazu dient, den erzeugten Wasserstoff auf einen Druck von beispielsweise 350 bar zu verdichten, so dass der Wasserstoff in einem Wasserstofftank bis zu seiner Entnahme zwischengespeichert werden kann. Der Verdichter 20 ist über zusätzliche Mehrwegeventile 21 an die Wasserleitungen 11 angeschlossen, die vergleichsweise warmes und auch vergleichsweise kaltes Wasser führen, so dass der Verdichter 20 je nach den herrschenden Außentemperaturen einerseits gegen Einfrieren geschützt werden kann und andererseits, wenn er sich im Betrieb befindet, zur Vermeidung von Überhitzung gekühlt werden kann.
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Weiterhin ist außerhalb der Elektrolyseanlage 1 eine Kühleinrichtung 22 angeordnet sowie eine Zapfstelle 23, die dazu dient, Wasserstoff an externe Verbraucher außerhalb der Elektrolyseanlage 1 abzugeben, beispielsweise Fahrzeuge mit Wasserstoff zu befüllen. Da der Wasserstoff an der Zapfstelle gekühlt sein muss, hat die Zapfstelle 23 einen Kühlbedarf, der mittels der Kühleinrichtung 22 gedeckt wird. Die Kühleinrichtung 22 ist über Mehrwegeventile 21 und entsprechende Zwischenleitungen einerseits an die Zapfstelle 23 angeschlossen und andererseits an die Wasserleitungen 11, die vergleichsweise warmes und vergleichsweise kaltes Wasser führen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrolyseanlage
- 2
- Elektrolyseur
- 3
- Wasserzuleitung
- 4
- Elektrische Versorgungsleitung
- 5
- Wasserstoffleitung
- 6
- Wasserstoff-Abnehmer
- 7
- Brennstoffzelle
- 8
- Stromleitung
- 9
- Stromabnehmer
- 10
- Pufferbatterie
- 11
- Wasserleitung
- 12
- Erster Wärmetauscher
- 14
- Zweiter Wärmetauscher
- 15
- Erstes Mehrwegeventil
- 16
- Heizkörper
- 17
- Wärmeabnehmer
- 18
- Zweites Mehrwegeventil
- 19
- Wechselrichter
- 20
- Verdichter
- 21
- Mehrwegeventile
- 22
- Kühleinrichtung
- 23
- Zapfstelle
