DE102021127391A1

DE102021127391A1 - hydrogen network system

Info

Publication number: DE102021127391A1
Application number: DE102021127391.9A
Authority: DE
Inventors: Stefan Stollenwerk
Original assignee: Westnetz GmbH
Current assignee: Westnetz GmbH
Priority date: 2021-10-21
Filing date: 2021-10-21
Publication date: 2023-04-27
Also published as: EP4170065A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wasserstoffnetzsystem (1) zum Erzeugen von Wasserstoff aus elektrischer Energie von zumindest einer erneuerbaren Energiequelle (3) und zur energetischen Nutzung des Wasserstoffs, wobei das Wasserstoffnetzsystem (1) aufweist:
- einen Elektrolyseur (4), welcher einen Energieanschluss (2) für die zumindest eine erneuerbare Energiequelle (3) aufweist und welcher zur Erzeugung von Wasserstoff aus der elektrischen Energie von der zumindest einen erneuerbaren Energiequelle (3) ausgebildet ist,
- zumindest eine Hochdruckleitung (6), welche an den Elektrolyseur (4) angeschlossen ist und zum Verteilen des vom Elektrolyseur (4) erzeugten Wasserstoffs eingerichtet ist, und
- zumindest eine Nutzeinheit (9, 10, 11, 12, 13), die zur energetischen Nutzung des erzeugten Wasserstoffs ausgebildet ist, wobei die zumindest Nutzeinheit (9, 10, 11, 12, 13) mittels einer Niederdruckleitung (7) und einem Gasdruckregler (8) an die Hochdruckleitung (6) angeschlossen ist.

The invention relates to a hydrogen network system (1) for generating hydrogen from electrical energy from at least one renewable energy source (3) and for using the hydrogen for energy, the hydrogen network system (1) having:
- an electrolyser (4), which has an energy connection (2) for the at least one renewable energy source (3) and which is designed to generate hydrogen from the electrical energy from the at least one renewable energy source (3),
- at least one high-pressure line (6) which is connected to the electrolyser (4) and is set up for distributing the hydrogen produced by the electrolyser (4), and
- at least one utility unit (9, 10, 11, 12, 13), which is designed to use the generated hydrogen to generate energy, the at least one utility unit (9, 10, 11, 12, 13) being controlled by means of a low-pressure line (7) and a gas pressure regulator (8) is connected to the high-pressure line (6).

Description

Die Erfindung betrifft ein Wasserstoffnetzsystem zum Erzeugen von Wasserstoff aus elektrischer Energie von zumindest einer erneuerbaren Energiequelle und zur energetischen Nutzung des Wasserstoffs sowie ein zugehöriges Verfahren.The invention relates to a hydrogen network system for generating hydrogen from electrical energy from at least one renewable energy source and for using the hydrogen for energy, and an associated method.

Aus dem Stand der Technik sind sogenannte Microgrids bzw. auf deutsch Mikronetze bekannt, welche eine dezentrale Gruppe von Stromquellen und -verbrauchern sind, die normalerweise an das herkömmliche Verbundnetz (Makronetz) angeschlossen und mit diesem synchronisiert sind, jedoch in der Lage sind, sich von dem Verbundnetz zu trennen und autonom in einem Inselbetrieb zu arbeiten, wenn die technischen oder wirtschaftlichen Bedingungen dies erfordern. Auf diese Weise verbessern Mikronetze die Versorgungssicherheit innerhalb der Mikronetzzelle und können Notstrom liefern, wobei sie zwischen Insel- und Verbundbetrieb wechseln können.So-called microgrids are known from the prior art, which are a decentralized group of power sources and consumers that are normally connected to the conventional interconnected grid (macro grid) and synchronized with it, but are able to separate from to disconnect from the grid and to work autonomously in an island mode if the technical or economic conditions require it. In this way, microgrids improve the security of supply within the microgrid cell and can provide emergency power, while being able to switch between isolated and interconnected operation.

Derartige Mikronetze können auch mit erneuerbaren Energie- bzw. Stromquellen betrieben werden, damit das Mikronetz vollständig auf erneuerbarer Energie basiert. Allerdings ist die Verfügbarkeit von erneuerbaren Energien begrenzt auf beispielsweise Sonnenstunden und Wind und die Speicherung von Strom ist kostenintensiv, was die Wirtschaftlichkeit solcher Mikronetze begrenzt.Such micro-grids can also be powered by renewable energy or electricity sources, so that the micro-grid is completely based on renewable energy. However, the availability of renewable energy is limited to hours of sunshine and wind, for example, and storing electricity is expensive, which limits the economic viability of such microgrids.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Netzsystem bereitzustellen, welches die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise behebt.The object of the invention is to provide a network system which at least partially eliminates the disadvantages known from the prior art.

Die voranstehende Aufgabe wird durch die Gegenstände der Patentansprüche, insbesondere durch ein Wasserstoffnetzsystem nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 10 gelöst. Weitere Vorteile und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Wasserstoffnetzsystem offenbart sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.The above object is achieved by the subject matter of the patent claims, in particular by a hydrogen network system according to claim 1 and a method according to claim 10. Further advantages and details of the invention result from the dependent claims, the description and the drawings. Features and details that are disclosed in connection with the hydrogen network system according to the invention naturally also apply in connection with the method according to the invention and vice versa, so that the disclosure of the individual aspects of the invention is or can always be referred to reciprocally.

Demnach löst die Erfindung die Aufgabe gemäß einem ersten Aspekt durch ein Wasserstoffnetzsystem zum Erzeugen von Wasserstoff aus elektrischer Energie von zumindest einer erneuerbaren Energiequelle und zur energetischen Nutzung des Wasserstoffs. Das Wasserstoffnetzsystem weist auf:

- einen Elektrolyseur, welcher einen Energieanschluss für die zumindest eine erneuerbare Energiequelle aufweist und welcher zur Erzeugung von Wasserstoff aus der elektrischen Energie von der zumindest einen erneuerbaren Energiequelle ausgebildet ist,
- zumindest eine Hochdruckleitung, welche an den Elektrolyseur angeschlossen ist und zum Verteilen des vom Elektrolyseur erzeugten Wasserstoffs eingerichtet ist, und
- zumindest eine Nutzeinheit, die zur energetischen Nutzung des (vom Elektrolyseur) erzeugten Wasserstoffs ausgebildet ist, wobei die zumindest Nutzeinheit mittels einer Niederdruckleitung und einem Gasdruckregler an die Hochdruckleitung angeschlossen ist.

Accordingly, the invention solves the problem according to a first aspect by a hydrogen network system for generating hydrogen from electrical energy from at least one renewable energy source and for energetic use of the hydrogen. The hydrogen network system features:

- an electrolyser, which has an energy connection for the at least one renewable energy source and which is designed to generate hydrogen from the electrical energy from the at least one renewable energy source,
- at least one high-pressure line which is connected to the electrolyser and is set up for distributing the hydrogen produced by the electrolyser, and
- At least one utility unit, which is designed to generate energy from the hydrogen produced (by the electrolyzer), the at least one utility unit being connected to the high-pressure line by means of a low-pressure line and a gas pressure regulator.

Damit wird ein auf Wasserstoff basierendes Netz in einem System vorgeschlagen, welches einen Elektrolyseur zur Herstellung des Wasserstoffs, zumindest eine Hochdruckleitung für die Verteilung des hergestellten bzw. erzeugten Wasserstoffs und zumindest eine Nutzeinheit zur energetischen Nutzung bzw. Verwertung des erzeugten Wasserstoffs aufweist. Gegenüber den bekannten und auf Strom basierenden Microgrids hat Wasserstoff den Vorteil, dass dieses wirtschaftlicher als Strom gespeichert werden kann, wenn auch seine Speicherung Herausforderungen mit sich bringt. Außerdem bietet die Bereitstellung des Wasserstoffs mittels der zumindest einen Hochdruckleitung eine besonders effiziente Nutzung für zahlreiche Nutzeinheiten, insbesondere solcher, die Wärme- und Transportanwendungen betreffen.A hydrogen-based network is thus proposed in a system which has an electrolyser for producing the hydrogen, at least one high-pressure line for distributing the produced or produced hydrogen and at least one utility unit for using or utilizing the produced hydrogen for energy. Compared to the well-known and electricity-based microgrids, hydrogen has the advantage that it can be stored more economically than electricity, even if its storage entails challenges. In addition, the provision of the hydrogen by means of the at least one high-pressure line offers a particularly efficient use for numerous utility units, in particular those relating to heat and transport applications.

Damit stellt die Erfindung ein lokal einsetzbares Wasserstoffnetzsystem bereit, welches auf einem Wasserstoffnetz mit der zumindest einen Hochdruckleitung und einer oder mehreren Niederdruckleitungen, die zu einer Nutzeinheit oder mehreren Nutzeinheiten führen, sowie entsprechender Vorrichtungen basiert. Die Vorrichtungen sind der eine oder mehrere Gasdruckregler vor der einen oder den mehreren Nutzeinheiten, der Elektrolyseur und die zumindest eine Nutzeinheit.The invention thus provides a hydrogen network system that can be used locally, which is based on a hydrogen network with the at least one high-pressure line and one or more low-pressure lines, which lead to a utility unit or several utility units, and corresponding devices. The devices are the one or more gas pressure regulators in front of the one or more utility units, the electrolyzer and the at least one utility unit.

Das Wasserstoffnetzsystem kann selbstverständlich weitere Vorrichtungen umfassen. So beispielsweise die zumindest eine oder mehrere erneuerbare Energiequellen bzw. erneuerbare Energieerzeugungsanlagen, welche an den entsprechenden Energieanschluss des Elektrolyseurs angeschlossen sein kann bzw. sein können. Mögliche erneuerbare Energieerzeugungsanlagen sind beispielsweise Photovoltaikanlagen oder Windkraftanlagen.The hydrogen network system can of course include other devices. For example, the at least one or more renewable energy sources or renewable energy generation systems, which can be connected to the corresponding energy connection of the electrolyzer. Possible renewable energy generation systems are, for example, photovoltaic systems or wind turbines.

Auch kann das Wasserstoffnetzsystem eine Gasdruckregel- und Messanlage (GDRM) für den Wasserstoff aufweisen, die an den Elektrolyseur angeschlossen sein kann.The hydrogen network system can also include a gas pressure regulation and metering system (GDRM) for the Have hydrogen, which can be connected to the electrolyzer.

Wie die Bezeichnung der Leitungen aussagt, ist die zumindest eine Hochdruckleitung auf einen höheren Gasdruck als die Niederdruckleitung der zumindest einen Nutzeinheit ausgelegt. Die Leitungen werden ganz besonders durch Rohre gebildet. Durch den jeweiligen Gasdruckregler zwischen der zumindest einen Hochdruckleitung und jeder Niederdruckleitung einer Nutzeinheit kann der Gasdruck des Wasserstoffs von der zumindest einen Hochdruckleitung kommend heruntergeregelt werden. As the designation of the lines indicates, the at least one high-pressure line is designed for a higher gas pressure than the low-pressure line of the at least one utility unit. The lines are formed in particular by tubes. The gas pressure of the hydrogen coming from the at least one high-pressure line can be regulated down by the respective gas pressure regulator between the at least one high-pressure line and each low-pressure line of a utility unit.

Dadurch kann der Gasdruck in der Niederdruckleitung auch an die Anforderungen der Nutzeinheit angepasst werden.As a result, the gas pressure in the low-pressure line can also be adapted to the requirements of the apartment.

Die zumindest eine Nutzeinheit ist zur energetischen Nutzung des Wasserstoffs ausgebildet. Unter energetischer Nutzung ist im Sinne der Erfindung eine Verwertung bzw. ein Verbrauch, eine Weiterleitung oder Weiterverarbeitung, beispielsweise Umwandlung, zu verstehen. Dabei können mehrere, insbesondere verschiedenartige, Nutzeinheiten in dem Wasserstoffnetzsystem vorgesehen werden. Diese können sich jeweils eine Niederdruckleitung und einen Gasdruckregler teilen oder können jeweils mittels separater Niederdruckleitung und separatem Gasdruckregler an die zumindest eine Hochdruckleitung angeschlossen sein.The at least one utility unit is designed to use the hydrogen for energy. For the purposes of the invention, energetic use is understood to mean utilization or consumption, forwarding or further processing, for example conversion. In this case, a plurality of useful units, in particular different types, can be provided in the hydrogen network system. These can each share a low-pressure line and a gas pressure regulator or can each be connected to the at least one high-pressure line by means of a separate low-pressure line and separate gas pressure regulator.

Es kann vorgesehen sein, dass die zumindest eine Hochdruckleitung als ein Wasserstoffspeicher ausgebildet ist. Entsprechend erfüllt die zumindest eine Hochdruckleitung dann die Funktion des Leitens des Wasserstoffs entlang der Hochdruckleitung sowie des Speicherns des Wasserstoffs darin. Das ermöglicht eine Speicherung des Wasserstoffs in der zumindest einen Hochdruckleitung selbst für eine spätere energetische Nutzung durch die zumindest eine Nutzeinheit. Die Hochdruckleitung muss zum Speichern des Wasserstoffs darin entsprechend ausgelegt sein, beispielsweise entsprechend abgedichtet sein.Provision can be made for the at least one high-pressure line to be in the form of a hydrogen accumulator. Accordingly, the at least one high-pressure line then fulfills the function of conducting the hydrogen along the high-pressure line and storing the hydrogen therein. This enables the hydrogen to be stored in the at least one high-pressure line itself for later energetic use by the at least one utility unit. The high-pressure line must be appropriately designed for storing the hydrogen therein, for example be appropriately sealed.

Ganz besonders kann vorgesehen sein, dass die zumindest eine Hochdruckleitung für einen Gasdruck von zumindest 30 bar ausgelegt ist. Ferner vorzugweise ist die zumindest eine Hochdruckleitung für einen Gasdruck von zumindest 50 bar, ganz besonders zumindest 60 bar und noch mehr besonders zumindest 70 bar ausgelegt. Dies ermöglicht eine sichere und dichte Speicherung des Wasserstoffs unter hohem Druck.In particular, it can be provided that the at least one high-pressure line is designed for a gas pressure of at least 30 bar. Furthermore, the at least one high-pressure line is preferably designed for a gas pressure of at least 50 bar, very particularly at least 60 bar and even more particularly at least 70 bar. This enables safe and dense storage of the hydrogen under high pressure.

Auch kann vorgesehen sein, dass die zumindest eine Hochdruckleitung aus einem Metall ausgebildet ist. Insbesondere kann das Metall ein Stahl bzw. eine Stahllegierung sein. Dieser Stahl ist vorzugsweise besonders druckfest und weist eine hohe Dauerfestigkeit auf, sodass der Wasserstoff auch bei häufigen Lastwechseln sicher in der zumindest einen Hochdruckleitung gespeichert werden kann.It can also be provided that the at least one high-pressure line is made of a metal. In particular, the metal can be steel or a steel alloy. This steel is preferably particularly pressure-resistant and has a high fatigue strength, so that the hydrogen can be safely stored in the at least one high-pressure line even with frequent load changes.

Ferner kann vorgesehen sein, dass die zumindest eine Hochdruckleitung einen Durchmesser von zumindest 150 mm aufweist. Ganz besonders kann die zumindest eine Hochdruckleitung einen Durchmesser von zumindest 150 mm, ganz besonders von zumindest 200 mm und ferner besonders von zumindest 250 mm aufweisen. Der Durchmesser kann wiederum höchstens 400 mm, ganz besonders höchstens 350 mm und ferner besonders höchstens 300 mm betragen. Dadurch kann eine große Menge Wasserstoff in der zumindest einen Hochdruckleitung bei hoher Sicherheit gespeichert werden.Furthermore, it can be provided that the at least one high-pressure line has a diameter of at least 150 mm. In particular, the at least one high-pressure line can have a diameter of at least 150 mm, very particularly at least 200 mm and further particularly at least 250 mm. The diameter can in turn be at most 400 mm, very particularly at most 350 mm and further particularly at most 300 mm. As a result, a large amount of hydrogen can be stored in the at least one high-pressure line with high safety.

Alternativ oder zusätzlich zu der Ausbildung der zumindest einen Hochdruckleitung als Wasserstoffspeicher kann das Wasserstoffnetzsystem ein mit der zumindest einen Hochdruckleitung verbundenes Wasserstoffspeicherterminal aufweisen. Auch oder alternativ in dem Wasserstoffspeicherterminal kann so Wasserstoff gespeichert werden.As an alternative or in addition to the formation of the at least one high-pressure line as a hydrogen storage device, the hydrogen network system can have a hydrogen storage terminal connected to the at least one high-pressure line. Hydrogen can also or alternatively be stored in the hydrogen storage terminal.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Niederdruckleitung für einen Gasdruck von bis zu 10 bar ausgelegt ist. Ganz besonders kann die Niederdruckleitung für einen Gasdruck von bis zu 8 bar, ganz besonders bis zu 5 bar ausgelegt sein. Insbesondere können die vorstehenden Druckangaben zulässige Höchstwerte der Niederdruckleitung sein. Dadurch kann das Wasserstoffnetzsystem trotz vergleichsweise teurer Hochdruckleitungen durch die geringeren Druckanforderungen der Niederdruckleitung(en) wirtschaftlich hergestellt werden.Furthermore, it can be provided that the low-pressure line is designed for a gas pressure of up to 10 bar. In particular, the low-pressure line can be designed for a gas pressure of up to 8 bar, especially up to 5 bar. In particular, the above pressure specifications can be permissible maximum values for the low-pressure line. As a result, the hydrogen network system can be produced economically despite comparatively expensive high-pressure lines due to the lower pressure requirements of the low-pressure line(s).

Auch kann vorgesehen sein, dass die Niederdruckleitung aus einem Kunststoff ausgebildet ist. Als Kunststoff kann beispielsweise Polyethylen oder Polyamid, beispielsweise PA12, genutzt werden. Dies hat neben wirtschaftlichen Vorteilen auch den Vorteil, dass die Niederdruckleitung nicht korrodieren kann.It can also be provided that the low-pressure line is made of a plastic. For example, polyethylene or polyamide, for example PA12, can be used as the plastic. In addition to economic advantages, this also has the advantage that the low-pressure line cannot corrode.

Außerdem kann vorgesehen sein, dass wenigstens eine der zumindest einen Nutzeinheit, ein Wasserstoff-Blockheizkraftwerk für ein Fernwärmenetz ist. Das Blockheizkraftwerk kann den Wasserstoff insoweit zur Bereitstellung der Fernwärme im Fernwärmenetz verwerten, was eine besonders effiziente Verwertung des Wasserstoffs, der aus der zumindest einen erneuerbaren Energiequelle erzeugt worden ist, ermöglicht.In addition, it can be provided that at least one of the at least one utility unit is a hydrogen combined heat and power plant for a district heating network. The combined heat and power plant can use the hydrogen to provide the district heating in the district heating network, which enables a particularly efficient use of the hydrogen that has been generated from the at least one renewable energy source.

Im Übrigen kann vorgesehen sein, dass wenigstens eine der zumindest einen Nutzeinheit eine Brennstoffzelle zur Wärmeerzeugung und/oder eine Brennwerttherme auf Wasserstoffbasis ist. Mit der Brennwerttherme kann der Wasserstoff zur unmittelbaren Beheizung von Gebäuden genutzt werden.Moreover, it can be provided that at least one of the at least one utility unit a fuel cell for heat generation and/or a hydrogen-based condensing boiler. With the condensing boiler, the hydrogen can be used to directly heat buildings.

Auch kann vorgesehen sein, dass wenigstens eine der zumindest einen Nutzeinheit ein Brennstoffzellensystem eines Klärwerks ist. Das Brennstoffzellensystem ermöglicht die Bereitstellung von elektrischer Energie für den Betrieb des Klärwerks aus dem Wasserstoff des Elektrolyseurs. Dies kann ganz besonders für eine stromautarke Versorgung des Klärwerks von Nutzen sein. So kann das Brennstoffzellensystem die Schwarzstartfähigkeit des Klärwerks ermöglichen. Neben dieser wasserstoffbasierten Notstromversorgung des Klärwerks kann auch vorgesehen sein, dass mittels des Wasserstoffs die Wärmeversorgung von Betriebsgebäuden des Klärwerks sichergestellt wird.It can also be provided that at least one of the at least one utility unit is a fuel cell system of a sewage treatment plant. The fuel cell system enables the provision of electrical energy for the operation of the sewage treatment plant from the hydrogen from the electrolyser. This can be particularly useful for a self-sufficient supply of electricity to the sewage treatment plant. The fuel cell system can enable the black start capability of the sewage treatment plant. In addition to this hydrogen-based emergency power supply for the sewage treatment plant, it can also be provided that the hydrogen is used to ensure the supply of heat to the operating buildings of the sewage treatment plant.

Außerdem kann vorgesehen sein, dass wenigstens eine der zumindest einen Nutzeinheit eine Speicheranlage zum Speichern des Wasserstoffs in einem flüssigen organischen Wasserstoffträger ist. Derartige auch als chemische Wasserstoffspeicher bekannten Speicheranlagen ermöglichen das Speichern des Wasserstoffs in einem Träger, beispielsweise einem Trägeröl. Dieses kann dann wie ein herkömmliches Öl mittels etwa eines Tankwagens transportiert werden und an anderer Stelle, etwa für Transport- bzw. Mobilitätsanwendungen, energetisch genutzt werden.In addition, it can be provided that at least one of the at least one utility unit is a storage system for storing the hydrogen in a liquid organic hydrogen carrier. Storage systems of this type, also known as chemical hydrogen storage devices, make it possible to store the hydrogen in a carrier, for example a carrier oil. This can then be transported like conventional oil by means of a tanker, for example, and used elsewhere, for example for transport or mobility applications, to generate energy.

Möglich ist natürlich ferner eine Kopplung des Industriesektors an das Wasserstoffnetzsystem mittels entsprechender Nutzeinheiten, die (Not-)Stromversorgungeinheiten oder Heiz- und/oder Produktionsprozesseinheit, die auf Wasserstoff basieren, sein können.Of course, it is also possible to link the industrial sector to the hydrogen network system by means of corresponding utility units, which can be (emergency) power supply units or heating and/or production process units based on hydrogen.

Eine weitere Mobilitätsanwendung, die eingesetzt werden kann ist, eine Wasserstofftankstelle, wofür wenigstens eine der zumindest einen Nutzeinheit eine Wasserstofftankstelle sein kann. Die Wasserstofftankstelle ermöglicht das Versorgen von Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb mit dem auf erneuerbaren Energien basierenden Wasserstoff aus dem Elektrolyseur. Die Wasserstofftankstelle kann ihrerseits einen weiteren Wasserstoffspeicher aufweisen sowie auch einen entsprechenden Verdichter, da typischerweise Drücke von 350 oder 700 bar erforderlich sind, die von der Hochdruckleitung nicht bereitgestellt werden.Another mobility application that can be used is a hydrogen filling station, for which at least one of the at least one utility unit can be a hydrogen filling station. The hydrogen filling station enables vehicles with fuel cell drives to be supplied with hydrogen from the electrolyser, which is based on renewable energies. For its part, the hydrogen filling station can have an additional hydrogen store and also a corresponding compressor, since pressures of 350 or 700 bar are typically required, which are not provided by the high-pressure line.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die eingangs erwähnte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren in einem Wasserstoffnetzsystem nach dem ersten Aspekt der Erfindung. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

- Erzeugen von Wasserstoff aus elektrischer Energie von der zumindest einen erneuerbaren Energiequelle,
- Zwischenspeichern des erzeugten Wasserstoffs, und
- energetische Nutzung des zwischengespeicherten Wasserstoffs in der zumindest einen Nutzeinheit.

According to a second aspect of the invention, the object mentioned at the outset is achieved by a method in a hydrogen network system according to the first aspect of the invention. The procedure has the following steps:

- generating hydrogen from electrical energy from the at least one renewable energy source,
- Temporary storage of the generated hydrogen, and
- Energetic use of the temporarily stored hydrogen in the at least one utility unit.

Dabei kann vorgesehen sein, dass das Speichern des erzeugten Wasserstoffs in der zumindest einen Hochdruckleitung erfolgt. Dazu muss die Hochdruckleitung, wie zuvor erläutert, entsprechend ausgebildet sein, ganz besonders abgedichtet sein, vorzugsweise für einen hohen Gasdruck von zumindest 30 bar ausgelegt sein, vorzugsweise aus einem Metall ausgebildet sein und vorzugsweise einen großen Durchmesser von zumindest 150 mm aufweisen.Provision can be made for the hydrogen produced to be stored in the at least one high-pressure line. For this purpose, the high-pressure line must, as explained above, be designed accordingly, be particularly sealed, preferably be designed for a high gas pressure of at least 30 bar, preferably be made of metal and preferably have a large diameter of at least 150 mm.

Im Übrigen kann vorgesehen sein, dass die energetische Nutzung des Wasserstoffs in der zumindest einen Nutzeinheit erfolgt, wenn keine elektrische Energie von der zumindest einen erneuerbaren Energiequelle erzeugt wird bzw. erzeugt werden kann. Bei einer Photovoltaikanlage ist dies also der Fall, wenn keine Sonne scheint oder ein Defekt der Photovoltaikanlage vorliegt. Bei einer Windkraftanlage ist dies ebenfalls bei einem Defekt oder bei Windstille der Fall. In dieser auch als Dunkelflaute bezeichenbaren Zeit kann das gespeicherte Wasserstoff genutzt werden, um die Energieversorgung der zumindest einen Nutzeinheit sicherzustellen, wenn dies anderenfalls auch direkt mit Strom möglich ist oder wäre.Furthermore, it can be provided that the energetic use of the hydrogen in the at least one utility unit takes place when no electrical energy is being generated or cannot be generated by the at least one renewable energy source. With a photovoltaic system, this is the case when the sun is not shining or the photovoltaic system is defective. This is also the case with a wind turbine if there is a defect or if there is no wind. During this time, which can also be described as a dark doldrums, the stored hydrogen can be used to ensure the energy supply of the at least one utility unit, if this is or would otherwise be possible directly with electricity.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Einzelnen beschrieben wird. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Dabei zeigen jeweils schematisch:

1 ein Wasserstoffnetzsystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
2 ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Further advantages, features and details of the invention result from the following description, in which an exemplary embodiment of the invention is described in detail with reference to the drawing. The features mentioned in the claims and in the description can each be essential to the invention individually or in any combination. Each shows schematically:

1 a hydrogen network system according to an embodiment of the invention; and
2 a method according to an embodiment of the invention.

1 zeigt ein Wasserstoffnetzsystem 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. 1 shows a hydrogen network system 1 according to an embodiment of the invention.

Das Wasserstoffnetzsystem 1 umfasst einen Energieanschluss 2 in Form einer Energieleitung, mittels dem es an eine erneuerbare Energiequelle 3 bzw. erneuerbare Energieerzeugungsquelle, vorliegend beispielsweise eine Photovoltaikanlage, angeschlossen ist. Um genau zu sein, ist ein Elektrolyseur 4 des Wasserstoffnetzsystems 1 an die erneuerbare Energiequelle 3 angeschlossen.The hydrogen network system 1 includes an energy connection 2 in the form of an energy line, by means of which it is connected to a renewable energy source 3 or renewable energy generation source, in this case a photovoltaic system, for example is closed. To be precise, an electrolyzer 4 of the hydrogen network system 1 is connected to the renewable energy source 3 .

Der Elektrolyseur 4 erhält über den Energieanschluss 2 Strom von der erneuerbaren Energiequelle 3 und erzeugt hieraus Wasserstoff. Dies ist ein erster Schritt 101 des in 2 schematisch anhand seiner Schritte illustrierten Verfahrens 100, welches in dem Wasserstoffnetzsystem 1 ausgeführt wird.The electrolyser 4 receives electricity from the renewable energy source 3 via the energy connection 2 and generates hydrogen from it. This is a first step 101 of the in 2 Method 100, which is schematically illustrated based on its steps and is executed in the hydrogen network system 1.

Der so erzeugte Wasserstoff wird über eine Gasdruckregel- und Messanlage (GDRM) 5 in eine Hochdruckleitung 6 bei einem hohen Druck von beispielsweise 70 bar eingespeist. Dies erfolgt in einem zweiten Schritt 102 des Verfahrens 100.The hydrogen produced in this way is fed into a high-pressure line 6 at a high pressure of, for example, 70 bar via a gas pressure regulating and measuring system (GPRM) 5 . This takes place in a second step 102 of the method 100.

Anschließend wird der Wasserstoff in der Hochdruckleitung 6 in einem dritten Schritt 103 des Verfahrens 100 zwischengespeichert. Für eine optimale Speicherfähigkeit des Wasserstoffs in der Hochdruckleitung 6 ist diese aus einem Stahl gefertigt, für einen Gasdruck bis zumindest 70 bar ausgelegt und mit einem Durchmesser von zumindest 200 mm ausgebildet. Die Zwischenspeicherung kann für einen kurzen Zeitraum von beispielsweise wenigen Minuten oder aber über einen langen Zeitraum von beispielsweise wenigen oder mehreren Stunden erfolgen.The hydrogen is then temporarily stored in the high-pressure line 6 in a third step 103 of the method 100 . For optimal storage capacity of the hydrogen in the high-pressure line 6, this is made of steel, designed for a gas pressure of up to at least 70 bar and is designed with a diameter of at least 200 mm. The intermediate storage can take place for a short period of a few minutes, for example, or over a long period of a few or several hours, for example.

Alternativ oder zusätzlich kann die Zwischenspeicherung in einem nicht gezeigten Wasserstoffspeicherterminal erfolgen.Alternatively or additionally, intermediate storage can take place in a hydrogen storage terminal (not shown).

Schließlich erfolgt in einem vierten Schritt 104 des Verfahrens 100 eine energetische Nutzung des Wasserstoffs in verschiedenartigen Nutzeinheiten 9, 10, 11, 12, 13 welche jeweils mittels Niederdruckleitungen 7 und Gasdruckreglern 8 an die Hochdruckleitung 6 angeschlossen sind. Ganz besonders kann diese energetische Nutzung des Wasserstoffs in einer oder mehreren der Nutzeinheiten 9, 10, 11, 12, 13 dann erfolgen, wenn keine elektrische Energie von der erneuerbaren Energiequelle 3 erzeugt wird.Finally, in a fourth step 104 of the method 100, the hydrogen is used for energy in various utility units 9, 10, 11, 12, 13, which are each connected to the high-pressure line 6 by means of low-pressure lines 7 and gas pressure regulators 8. In particular, this energetic use of the hydrogen can take place in one or more of the utility units 9 , 10 , 11 , 12 , 13 when no electrical energy is being generated by the renewable energy source 3 .

Die Nutzeinheit 9 ist ein Wasserstoff-Blockheizkraftwerk 9 für ein Fernwärmenetz 14. Das Wasserstoff-Blockheizkraftwerk 9 kann den in der Hochdruckleitung 6 zwischengespeicherten Wasserstoff insoweit im vierten Schritt 104 des Verfahrens 100 zur Bereitstellung der Fernwärme im Fernwärmenetz 14 verwerten, was eine besonders effiziente Verwertung des Wasserstoffs, der aus der erneuerbaren Energiequelle 3 erzeugt worden ist, ermöglicht.The utility unit 9 is a hydrogen combined heat and power plant 9 for a district heating network 14. The hydrogen combined heat and power plant 9 can utilize the hydrogen temporarily stored in the high-pressure line 6 in the fourth step 104 of the method 100 for providing the district heating in the district heating network 14, which means that the Hydrogen that has been generated from the renewable energy source 3 allows.

Die Nutzeinheit 10 ist eine Brennwerttherme 10 auf Wasserstoffbasis für ein oder mehrere Gebäude. Mit der Brennwerttherme 10 kann der zwischengespeicherte Wasserstoff im vierten Schritt 104 des Verfahrens 100 zur unmittelbaren Beheizung dieser Gebäude genutzt werden.The utility unit 10 is a hydrogen-based condensing boiler 10 for one or more buildings. With the condensing boiler 10, the temporarily stored hydrogen can be used in the fourth step 104 of the method 100 for the direct heating of these buildings.

Die Nutzeinheit 11 ist ein Brennstoffzellensystem 11 eines Klärwerks. Das Brennstoffzellensystem 11 ermöglicht in dem vierten Schritt 104 des Verfahrens 100 die Bereitstellung von elektrischer Energie für den Betrieb des Klärwerks aus dem Wasserstoff des Elektrolyseurs 4. Dies kann ganz besonders für eine stromautarke Versorgung des Klärwerks von Nutzen sein. So kann das Brennstoffzellensystem 11 im vierten Schritt 104 für einen Schwarzstart des Klärwerks genutzt werden.The utility unit 11 is a fuel cell system 11 of a sewage treatment plant. In the fourth step 104 of the method 100, the fuel cell system 11 enables the provision of electrical energy for the operation of the sewage treatment plant from the hydrogen of the electrolyser 4. This can be particularly useful for supplying the sewage treatment plant with a self-sufficient electricity supply. Thus, in the fourth step 104, the fuel cell system 11 can be used for a black start of the sewage treatment plant.

Die Nutzeinheit 12 ist eine Speicheranlage 12 zum Speichern des Wasserstoffs in einem flüssigen organischen Wasserstoffträger. Derartige auch als chemische Wasserstoffspeicher bekannten Speicheranlagen 12 ermöglichen in dem vierten Schritt 104 des Verfahrens 100 das Speichern des Wasserstoffs in einem Träger, beispielsweise einem Trägeröl. Dieses kann dann wie ein herkömmliches Öl mittels etwa eines Tankwagens transportiert werden und an anderer Stelle, etwa für Transport- bzw. Mobilitätsanwendungen, energetisch genutzt werden.The utility unit 12 is a storage facility 12 for storing the hydrogen in a liquid organic hydrogen carrier. In the fourth step 104 of the method 100, storage systems 12 of this type, which are also known as chemical hydrogen storage devices, make it possible to store the hydrogen in a carrier, for example a carrier oil. This can then be transported like conventional oil by means of a tanker, for example, and used elsewhere, for example for transport or mobility applications, to generate energy.

Die Nutzeinheit 13 ist eine Wasserstofftankstelle 13. Die Wasserstofftankstelle 13 ermöglicht in dem vierten Schritt 104 des Verfahrens das Versorgen von Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb mit dem auf erneuerbaren Energien basierenden Wasserstoff aus dem Elektrolyseur 4. Die Wasserstofftankstelle 13 kann ihrerseits einen weiteren Wasserstoffspeicher (nicht gezeigt) aufweisen sowie auch einen entsprechenden Verdichter (nicht gezeigt), da typischerweise Drücke von 350 oder 700 bar erforderlich sind, für welche die Niederdruckleitung 7 nicht ausgelegt ist. The utility unit 13 is a hydrogen filling station 13. In the fourth step 104 of the method, the hydrogen filling station 13 enables vehicles with fuel cell drives to be supplied with the hydrogen from the electrolyzer 4 based on renewable energies. The hydrogen filling station 13 can in turn have another hydrogen storage device (not shown). and also a corresponding compressor (not shown), since pressures of 350 or 700 bar are typically required, for which the low-pressure line 7 is not designed.

BezugszeichenlisteReference List

11: Wasserstoffnetzsystemhydrogen network system
22: Energieanschlusspower connection
33: erneuerbare Energiequellerenewable energy source
44: Elektrolyseurelectrolyser
55: Gasdruckregel- und MessanlageGas pressure control and measuring system
66: Hochdruckleitunghigh pressure line
77: Niederdruckleitunglow pressure line
88th: Gasdruckreglergas pressure regulator
99: Nutzeinheit, Wasserstoff-BlockheizkraftwerkUtility unit, hydrogen combined heat and power plant
1010: Nutzeinheit, Brennwerttherme auf WasserstoffbasisUtility unit, condensing boiler based on hydrogen
1111: Nutzeinheit, Brennstoffzellensystemutility unit, fuel cell system
1212: Nutzeinheit, Speicheranlageutility unit, storage facility
1313: Nutzeinheit, Wasserstofftankstelleutility unit, hydrogen filling station
1414: Fernwärmenetzdistrict heating network
100100: VerfahrenProceedings
101101: erster Schrittfirst step
102102: zweiter Schrittsecond step
103103: dritter SchrittThird step
104104: vierter Schrittfourth step

Claims

Hydrogen network system (1) for generating hydrogen from electrical energy from at least one renewable energy source (3) and for using the hydrogen for energy, the hydrogen network system (1) having: - an electrolyser (4), which has an energy connection (2) for the at least one renewable energy source (3) and which is designed to generate hydrogen from the electrical energy from the at least one renewable energy source (3), - at least one high-pressure line (6) which is connected to the electrolyser (4) and is set up for distributing the hydrogen produced by the electrolyser (4), and - at least one utility unit (9, 10, 11, 12, 13), which is designed to use the generated hydrogen to generate energy, the at least one utility unit (9, 10, 11, 12, 13) being controlled by means of a low-pressure line (7) and a gas pressure regulator (8) is connected to the high-pressure line (6).

Hydrogen network system (1) according to claim 1 , wherein the at least one high-pressure line (6) is set up as a hydrogen storage device.

Hydrogen network system (1) according to claim 1 or 2 , wherein the at least one high-pressure line (6) is designed for a gas pressure of at least 30 bar.

Hydrogen network system (1) according to one of the preceding claims, wherein the at least one high-pressure line (6) is formed from a metal.

Hydrogen network system (1) according to one of the preceding claims, wherein the at least one high-pressure line (6) has a diameter of at least 150 mm.

Hydrogen network system (1) according to one of the preceding claims, wherein the hydrogen network system (1) has a hydrogen storage terminal connected to the at least one high-pressure line (6).

Hydrogen network system (1) according to one of the preceding claims, wherein the low-pressure line (7) is designed for a gas pressure of up to a maximum of 10 bar.

Hydrogen network system (1) according to one of the preceding claims, wherein the low-pressure line (7) is made of a plastic.

Hydrogen network system (1) according to one of the preceding claims, wherein at least one of the at least one utility unit (9, 10, 11, 12, 13) is a hydrogen combined heat and power plant (9) for a district heating network (14), a fuel cell for heat generation, a condensing boiler ( 10) based on hydrogen, a fuel cell system (11) of a sewage treatment plant, a storage facility (12) for storing the hydrogen in a liquid organic hydrogen carrier and/or a hydrogen filling station (13).

Method (100) in a hydrogen network system (1) according to one of the preceding claims, wherein the method (100) comprises the steps (101, 102, 103, 104): - generating hydrogen from electrical energy from the at least one renewable energy source (3), - Temporary storage of the generated hydrogen, and - Energetic use of the hydrogen in the at least one utility unit (9, 10, 11, 12, 13).

Method (100) according to claim 10 wherein the hydrogen produced is stored in the at least one high-pressure line (6).

Method (100) according to claim 10 or 11 , wherein the energetic use of the hydrogen in the at least one utility unit (9, 10, 11, 12, 13) takes place when no electrical energy is generated by the at least one renewable energy source (3).