DE102022204401A1

DE102022204401A1 - Elektrolyseanlage und Anlagenverbund umfassend eine Elektrolyseanlage und eine Erneuerbare-Energien-Anlage

Info

Publication number: DE102022204401A1
Application number: DE102022204401.0A
Authority: DE
Inventors: Sven Schumann
Original assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2022-05-04
Filing date: 2022-05-04
Publication date: 2023-11-09
Also published as: WO2023213447A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrolyseanlage (1) umfassend einen Elektrolyseur (3) und eine Schaltungsanordnung (5), die einen Eingang (7) zum Anschluss an eine Stromquelle sowie einen Ausgang (9) aufweist, der an den Elektrolyseur (3) angeschlossen ist, wobei die Schaltungsanordnung (5) eine elektrische Filtereinrichtung (11) aufweist, die derart ausgestaltet ist, dass hochfrequente Signalanteile, insbesondere aus der externen Stromquelle, sehr effektiv dämpfbar sind.Die Erfindung betrifft weiterhin einen Anlagenverbund (100) mit einer Elektrolyseanlage (1) und mit einer Erneuerbare-Energien-Anlage (50). Dabei ist durch die Erneuerbare-Energien-Anlage (50) eine Stromquelle mit einem Ausgang (52) gebildet und die Elektrolyseanlage (1) ist an den Ausgang (52) der Erneuerbare-Energien-Anlage (50) direkt angeschlossen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrolyseanlage umfassend einen Elektrolyseur und eine Schaltungsanordnung. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Anlagenverbund umfassend eine Elektrolyseanlage und eine an die Elektrolyseanlage angeschlossene Erneuerbare-Energien-Anlage.
Eine Elektrolyseanlage ist eine Vorrichtung, die mit Hilfe von elektrischem Strom eine Stoffumwandlung herbeiführt (Elektrolyse). Entsprechend der Vielfalt an unterschiedlichen elektrochemischen Elektrolyseprozessen gibt es auch eine Vielzahl von Elektrolyseanlagen, wie beispielsweise eine Elektrolyseanlage für eine Wasserelektrolyse.
Wasserstoff wird heutzutage beispielsweise mittels einer Proton Exchange Membrane (PEM)-Elektrolyse oder einer alkalischen Elektrolyse aus Wasser erzeugt. Die Elektrolyseanlagen produzieren mit Hilfe elektrischer Energie Wasserstoff und Sauerstoff aus dem zugeführten Wasser. Dieser Prozess findet in einem Elektrolysestack, zusammengesetzt aus mehreren Elektrolysezellen, statt. In dem unter einer Gleichspannung (DC Spannung) stehenden Elektrolysestack wird als Edukt Wasser eingebracht, wobei nach dem Durchlauf durch die Elektrolysezellen zwei Fluidströme, bestehend aus Wasser und Gasblasen (O₂ bzw. H₂) austreten.
Aktuelle Überlegungen gehen dahin, mit überschüssiger Energie aus erneuerbaren Energiequellen in Zeiten mit viel Sonne und viel Wind, also mit überdurchschnittlicher Solarstrom- oder Windkrafterzeugung, Wertstoffe zu erzeugen. Ein Wertstoff kann insbesondere Wasserstoff sein, welcher durch Wasser-Elektrolyseanlagen erzeugt wird. Auf Basis von Wasserstoff kann beispielsweise sogenanntes Erneuerbare-Energien-Gas - auch als EE-Gas bezeichnet, hergestellt werden. Ein EE-Gas ist ein brennbares Gas, welches mit Hilfe elektrischer Energie aus erneuerbaren Quellen gewonnen wird.
Wasserstoff stellt dabei einen besonders umweltfreundlichen und nachhaltigen Energieträger dar. Er hat das einzigartige Potential Energiesysteme, Verkehr und große Teile der Chemie ohne CO₂-Emissionen zu realisieren. Damit dies gelingt, darf der Wasserstoff allerdings nicht aus fossilen Quellen stammen, sondern muss mit Hilfe von erneuerbaren Energien produziert werden. Inzwischen wird zumindest ein wachsender Anteil des aus erneuerbaren Quellen erzeugten Stroms in das öffentliche Stromnetz eingespeist. Somit kann entsprechend dem Strommix ein entsprechender Anteil grüner Wasserstoff erzeugt werden, wenn eine Elektrolyseanlage mit Strom aus dem öffentlichen Netz betrieben wird.
Bei im industriellen Maßstab ausgeführten Elektrolysen wird der Gleichstrom überwiegend über netzgeführte Gleichrichter bereitgestellt. Bei dieser Gleichrichtung einer netzseitigen Wechselspannung können aufgrund der Funktionsweise der Gleichrichter Oberschwingungen entstehen, welche das Wechselstromnetz und/oder das Gleichstromnetz belasten können.
In der EP 3 723 254 A1 ist eine derartige Elektrolyseanlage offenbart, die an das öffentliche Stromnetz angeschlossen ist und entsprechend mit Netzstrom wird. Hierzu weist die Elektrolyseanlage eine Schaltungsanordnung auf, die vier Spulenanordnungen und vier Gleichrichter umfasst. Die ersten Spulen der Spulenanordnungen sind dabei jeweils mit der Gleichspannungsseite eines der Gleichrichter verbunden. Die Schaltungsanordnung umfasst weiterhin zwei Transformatoren, welche jeweils eine Primärwicklung sowie zwei Sekundärwicklungen aufweisen. Die Primärwicklungen der Transformatoren sind mit dem Stromnetz, z. B. einem Mittelspannungsnetz oder einem Hochspannungsnetz, verbunden. Auf diese Weise kann trotz des reduzierten Eisenanteils innerhalb der ersten Spule eine erwünschte Glättung des Gleichstroms, beziehungsweise die Dämpfung der Oberschwingungen im Transformator erfolgen.
Eine Quelle für erneuerbare Energien ergibt sich aus der zunehmenden Windkraftnutzung. Insbesondere mit küstennahen, sogenannten Offshore-Windenergieanlagen lassen sich große elektrische Leistungen realisieren. Herausfordernd ist allerdings, dass eine große Distanz zu den Verbrauchern zu überwinden ist. Die Energie sollte also möglichst verlustfrei zum Verbraucher transportiert werden. Als Transportmedium und Energieträger eignet sich sehr gut Wasserstoff. Dieser kann zum Beispiel durch Pipelines in gasförmiger Form transportiert werden. Ein positiver Nebenaspekt hierbei ist, dass eine Wasserstoff-führende Pipeline gleichzeitig die Funktion eines Energiespeichers erfüllen kann, da der innere Druck in gewissen Grenzen variiert werden kann.
Aus diesen Überlegungen heraus ist es von besonderem wirtschaftlichen Interesse, den Wasserstoff direkt am Ort der Energiegewinnung, also autark und unabhängig vom öffentlichen Netz, zu produzieren. Hierzu ist vorgeschlagen, die Elektrolyseanlagen auf Offshore-Plattformen im maritimen Bereich direkt an Offshore-Windenergieanlagen oder in deren unmittelbarer Nähe zu installieren und mit dem erzeugten Strom elektrisch zu versorgen.
Auch für das Festland wurden solche Konzepte vorschlagen, den Strom aus Onshore-Windkraftanlagen oder Fotovoltaikanlagen zumindest teilweise durch eine direkte Anbindung an und Einspeisung in eine Elektrolyseanlage unmittelbar für eine Wasserstofferzeugung zu nutzen. In all diesen Anwendungen ist die Elektrolyseanlage Teil eines Inselnetzes. Der Elektrolysestrom wird also nicht aus dem öffentlichen Netz bezogen, sondern direkt von einer Windenergieanlage oder einer PV-Anlage geliefert und in einen Elektrolyseur der Elektrolyseanlage eingespeist. Im Gegensatz zu dem oben beschriebenen netzgeführten Betrieb bringt dies jeweils besondere Herausforderungen und Probleme hinsichtlich der elektrotechnischen Anbindung und Verschaltung der Elektrolyseanlage mit der jeweilige EE-Erzeugungsanlage mit sich, sei es eine Windenergieanlage oder eine Fotovoltaikanlage, insbesondere um einen sicheren und vor allem störungsfreien Betrieb der Elektrolyseanlage in einem unmittelbaren Anlagenverbund mit der EE-Erzeugungsanlage zu gewährleisten.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Elektrolyseanlage anzugeben, mittels derer Strom aus einer erneuerbaren Quelle direkt und störungsfrei in die Elektrolyseanlage einspeisbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Elektrolyseanlage umfassend einen Elektrolyseur und eine Schaltungsanordnung, die einen Eingang zum Anschluss an eine Stromquelle sowie einen Ausgang aufweist, der an den Elektrolyseur angeschlossen ist, wobei die Schaltungsanordnung eine elektrische Filtereinrichtung aufweist, die derart ausgestaltet ist, dass hochfrequente Signalanteile dämpfbar sind.
Die Erfindung geht bereits von der Erkenntnis aus, dass Elektrolyseanlagen, insbesondere die PEM-Wasserelektrolysezellen des Elektrolyseurs, sehr empfindlich gegenüber hochfrequenten elektrischen Streuströmen sind. Diese Streuströme können über Erdverbindungen oder Erdschlüsse in die Elektrolyseanlage einkoppeln. Durch notwendige Anlagenteile wie Prozesstechnik, Gas-Separatoren, Hilfssysteme, wasserführende Versorgungsleitungen usw. einer Elektrolyseanlage ist auf Seiten der Elektrolyse die Verbindung mit der Erde unzureichend (Erdschluss oder Masseschleife.). Es ist daher einerseits bedeutsam zu vermeiden, dass sich Strompfade über die Erde schließen können, also ein Erdschluss oder Erdschleife gebildet ist. Andererseits ist die Einkopplung von elektromagnetischen Störfeldern an sich möglichst zu vermeiden oder zumindest eine Verringerung der Einstreuung. Diese Problematik ist besonders ausgeprägt bei einem direkten Anschluss einer Elektrolyseanlage an eine DC-Stromquelle, die etwa durch eine Fotovoltaikanlage oder eine Windenergieanlage bereitgestellt ist.
In diesem komplexen Anlagenverbund aus erneuerbarer Energieerzeugungsanlage und Elektrolyseanlage mit einer EE-Direkteinspeisung des Elektrolysestroms zum Betreiben der Elektrolyse skalieren die nachteiligen Effekte einer Erdschleife und der Einkopplung elektromagnetischer Wechselfelder in die verwendeten Bauelemente der Leistungselektronik entsprechend. Beispielsweise die weit verbreitete und bevorzugte Verwendung von Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (englisch: insulated-gate bipolar transistor, kurz IGBT) in dem die Elektrolyse mit Hochstrom versorgenden Gleichrichter. Ein IGBT kann dabei vor allem auf der Erdseite relativ starke Störsignale erzeugen. Der IGBT ist ein Halbleiterbauelement, das in der Leistungselektronik verwendet wird, da es Vorteile des Bipolartransistors wie gutes Durchlassverhalten, hohe Sperrspannung, Robustheit und die Vorteile eines Feldeffekttransistors durch eine nahezu leistungslose Ansteuerung vereinigt. Etwa in einer so genannten dreiphasigen B6 Brückenschaltung mit einem IGBT-basierten Gleichrichter wird dadurch eine sehr genaue Steuerung des Elektrolysestroms bei guter Gleichrichtung erzielt. Die markanten Vorteile von IGBTs sind die hohen Spannungs- und Stromgrenzen: Spannungen von bis zu 6500 V und Ströme von bis zu 3600 A bei einer Leistung von bis zu einigen Megawatt, was IGBT's für den Einsatz in Elektrolyseanlagen prädestiniert.
Mit der Erfindung wird in einer Elektrolyseanlage mit der Schaltungsanordnung eine Filtereinrichtung auf der DC-Seite bereitgestellt, so dass eine wirksame Filterung von Störsignalen infolge hochfrequenter elektrischer Streuströme zwischen der externen Stromversorgungsquelle und dem gleichstrombetriebenen Elektrolyseur erzielt ist. Von Vorteil für eine flexible Ankopplung und direkten Anschluss an unterschiedliche Stromquellen erweist sich, dass die filterbasierte Schaltungsanordnung integraler Bestandteil der Elektrolyseanlage selbst ist. Dadurch sind vielfältige Anschlussmöglichkeiten inhärent bereitgestellt und ein netzunabhängiger Betrieb, insbesondere ein Inselbetrieb ist besonders vorteilhaft möglich. Dabei kann die originäre Stromquelle oder Stromversorgungsquelle sowohl eine Gleichstromquelle als auch eine Wechselstromquelle sein und diese wird vorteilhaft unmittelbar aus erneuerbaren Energien bereitgestellt. Durch die Filtereinrichtung ist in beiden Umgebungen und Anwendungen eine besonders störungsfreie Versorgung des Elektrolyseurs mit einem stabilen Gleichstrom erreicht. Durch die Filtereinrichtung ist eine besonders einfache Lösung bereitgestellt, die flexibel anpassbar ist. Hierbei bietet es sich vorteilhaft an, auch Systeme und Komponenten der Eigenversorgung der Elektrolyseanlage, also die Hilfssysteme, die Steuerung usw. anlagenseitig ebenfalls hinter dem Filter anzuschließen und für den Betrieb dieser Systeme und Komponenten zu verwenden, da dort bereits Gleichstrom mit hoher Güte bereitgestellt wird. Dabei sind mit der Erfindung insbesondere hochfrequente Signalanteile aus einer externen Stromquelle selbst dämpfbar, an die die Elektrolyseanlage zur Versorgung mit einem Elektrolysestrom anschließbar ist. Aber auch eine Filterung hochfrequeneter Signalanteile aus anderen störenden Stromquellen der Elektrolyseanlage selbst oder in deren Umgebung, die störende Einkopplung führen können.
In der Schaltungsanordnung wirkt die Filtereinrichtung dabei in ihrer Funktionsweise vorteilhaft in ähnlicher Weise wie ein Netzfilter und kann entsprechend für die Anwendung in einer Elektrolyseanlage spezifisch angepasst ausgestaltet sein. Vorliegend also kann die Filtereinrichtung beispielsweise als eine elektrische Schaltung ausgeführt sein, die sowohl elektrische Störungen, ausgehend von elektrischen Einrichtungen und Komponenten der Elektrolyseanlage mit dem Elektrolyseur in die Stromquelle, begrenzt (Funkentstörung), als auch die elektromagnetische Verträglichkeit und der Schutz der Elektrolyseanlage gegenüber Störungen aus der speisenden Stromquelle deutlich verbessert. Letzteres führt zu einer Erhöhung der Störfestigkeit der Elektrolyseanlage. Dies ist insbesondere von Interesse und Vorteil in Anwendungen, bei der der Strom aus einer erneuerbaren Quelle direkt und störungsfrei in die Elektrolyseanlage als Gleichstrom einzuspeisen ist, d.h. bei einer Direkteinspeisung oder DC-Einspeisung aus einer Erneuerbaren-Energie-Anlage.
In der Schaltungsanordnung kann die Filtereinrichtung wahlweise als Tiefpassfilter ausgeführt sein und Induktivitäten und Kondensatoren umfassen. Das Einsatzgebiet in einer Elektrolyseanlage für eine Direktanbindung und Versorgung eines Elektrolyseurs mit Elektrolysestrom ist vorzugsweise der Mittelspannungs- und Niederspannungsbereich, je nach Stromquelle. Die Filtereinrichtung ist als Komponente der Schaltungsanordnung vorteilhaft direkt in die gegenüber störenden Streuströmen besonders empfindlichen Elektrolyseanlage integriert oder ggf. in Störungen verursachenden stromführenden Anlagenteilen. Dabei ist es möglich und vorteilhaft, dass die Schaltungsanordnung mit der Filtereinrichtung als eigenes Modul ausgeführt ist, dass anschließbar und in die Elektrolyseanlage integrierbar ist. Somit ist für eine gefilterte und störungsfreie Gleichspannung gesorgt, und zwar auf einem für die Elektrolyse gewünschten und vorbestimmten Spannungs- bzw. Stromniveau.
Die Schaltungsanordnung ist daher besonders vorteilhaft als Filtereinrichtung ausgestaltet und konzipiert für die Bereitstellung von Gleichstrom durch eine externe Stromquelle, insbesondere eine externe Gleichstromquelle, zur Versorgung des Elektrolyseurs mit Elektrolysestrom. Dies erfolgt durch direkte Kopplung bzw. direkten Anschluss des Eingangs an eine externe Stromquelle, insbesondere unmittelbar an eine externe Gleichstromquelle. Als externe Gleichstromquelle ist vorteilhaft eine Windenergieanlage oder eine Fotovoltaikanlage an die Elektrolyseanlage anschließbar, die jeweils netzunabhängig in einem so genannten Inselbetrieb sowohl für Offshoreals auch für Onshore-Anwendungen vorteilhaft ausgestaltet sein können.
In vorteilhaften Anwendungen mit einer verfügbaren externen Gleichstromquelle als Stromquelle ist diese direkt und unmittelbar über den Eingang der Schaltungsanordnung anschließbar, so dass eine störungsfreie Gleichstromversorgung des Elektrolyseurs erreicht ist. Durch die Filterung und Entkopplung über die in der Schaltungsanordnung vorgesehene Filtereinrichtung ist eine schädigende Einstreuung von hochfrequenten Streuströmen sicher vermieden und somit Erdschlussströme und unerwünschte Spannungsverluste in dem empfindlichen Elektrolyseur, v.a. eine Einkopplung in die Elektrolysezellen. Ein sicherer Betrieb der Elektrolyseanlage mit hoher Zuverlässigkeit und verbesserter Lebensdauer ist erreicht, da Verluste infolge spannungsreduzierender Strompfade reduziert sind. Zugleich ist eine einfache und zuverlässige Direktanbindung der Elektrolyseanlage an eine Energieerzeugungsanlage auf Basis erneuerbarer Energien erzielbar und ein gewünschter netzunabhängiger Betrieb möglich.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung weist die Filtereinrichtung einen Tiefpass auf.
Mit einem Tiefpass oder Tiefpassfilter ist eine besonders einfach in die Schaltungsanordnung integrierbare Realisierung geschaffen, die hochfrequenten Störfrequenzen aus der Stromquelle zu unterdrücken bzw. herauszufiltern und nur den gewünschten Gleichstrom für die Elektrolyse durchzuschalten. Der Tiefpassfilter kann dabei als passiver analoger Tiefpass ausgeführt sein, der beispielsweise einen Widerstand, eine Spule und einen Kondensator aufweist oder mehrere dieser elektrischen Bauelemente. Mit zusätzlichen aktiven Bauelementen, wie Operationsverstärker oder Transistoren, ist es auch möglich, dass ein aktiver analoger Tiefpass in der Filtereinrichtung vorgesehen ist. Bei einer bedarfsweise erforderlichen digitalen Signalverarbeitung werden zeitdiskrete Tiefpassfilter in Filterstrukturen wie dem FIR- oder IIR-Filter realisiert. Dies erfolgt mit digitalen Schaltungen wie FPGAs oder mittels sequenzieller Computerprogramme.
Tiefpassfilter für hohe Leistungen für Hochfrequenz und die Elektrische Energietechnik - wie vorliegend für die Elektrolyseanlage bevorzugt - werden aus Kondensatoren und Spulen aufgebaut. Man findet sie im Allgemeinen an den Lastausgängen von Frequenzumrichtern, Klasse-D-Verstärkern, Schaltnetzteilen und in Netzfiltern.
In bevorzugter Ausgestaltung der Elektrolyseanlage ist die Filtereinrichtung als ein Tiefpass 1. Ordnung ausgeführt, der ein RC-Glied aufweist.
Im einfachsten Fall besteht der Tiefpass vorteilhafterweise aus einer Widerstand-Kondensator-Kombination, ein so genanntes RC-Glied und stellt einen Butterworth-Filter mit 1. Ordnung dar. Dabei wird im funktionsbeschreibenden Modell vorausgesetzt, dass die Quellimpedanz von der Eingangsspannung des Filters Null beträgt und die Lastimpedanz bei der Ausgangsspannung des Filters unendlich hoch ist.
Bei einem RC-Glied folgt einer ggf. sprunghaften Änderung der Eingangsspannung die Ausgangsspannung um dieselbe Sprunghöhe, aber verzögert im Verlauf einer Exponentialfunktion mit einer Zeitkonstante τ = RC, die sogenannte Übertragungsfunktion des RC-Glieds.
In besonders einfacher Ausgestaltung ist alternativ oder zusätzlich auch eine einfache Spule oder Spulenanordnung zur Dämpfung vor allem der der hochfrequenten Signalanteile denkbar. Diese ist beispielsweise direkt zwischen einem Gleichrichter und dem Elektrolyseur geschaltet und trägt im Betrieb den vollen Laststrom, d.h. diese ist also nicht mit Erde verbunden ist, sondern mit dem Gleichrichter und dem Elektrolyseur.
Vorzugsweise weist die Filtereinrichtung eine die hohen Frequenzanteile dämpfende Induktivität auf.
In weiter bevorzugter Ausgestaltung der Elektrolyseanlage ist die Filtereinrichtung als Tiefpass 2. Ordnung oder höherer Ordnung ausgeführt, die zumindest einen LRC-Tiefpass aufweist. Damit kann für eine direkte DC-Anbindung der Stromquelle an die Elektrolyseanlage eine Stromquelle besonders wirkungsvolle Filterung und Entstörung erzielt werden.
Einen Tiefpass zweiter Ordnung erhält man für die Schaltungsanordnung vorteilhaft, indem man zu einem Widerstand R eine Induktivität L in Reihe schaltet, da deren Blindwiderstand X_L ebenfalls eine - und zwar zum Kondensator-Blindwiderstand X_C gegenläufige - Frequenzabhängigkeit besitzt. Dabei wird R so groß gewählt, dass keine oder nur eine geringe Spannungsüberhöhung des Frequenzgangs entsteht.
Durch das Hintereinanderschalten von mehreren Tiefpässen in der Schaltungsanordnung ist es auch möglich, dessen Ordnung vorteilhaft zu erhöhen. Beispielsweise bilden zwei hintereinandergeschaltete Tiefpässe 2. Ordnung einen Tiefpass 4. Ordnung. Die Dämpfung ändert sich dabei oberhalb der Grenzfrequenz mit 4x20 dB/Dekade = 80 dB/Dekade, was einer Flankensteilheit von 24 dB/Oktave entspricht. Zwei zusammengeschaltete Tiefpässe mit gleicher Grenzfrequenz ergeben aber keinen Tiefpass höherer Ordnung derselben Grenzfrequenz. Für die Dimensionierung eines Tiefpasses mit gewünschter Grenzfrequenz stehen einschlägige Formeln und Tabellen zur Verfügung, die je nach Anschlusssituation der Elektrolyseanlage an die externe Stromquelle anwendbar sind. Zusätzlich kann das Problem auftreten, dass ein Tiefpass in einer Kette vom Ausgangswiderstand des vorgeschalteten und dem Eingangswiderstand des nachgeschalteten Tiefpasses beeinflusst wird. Diesem Effekt kann mit Impedanzwandlern entgegengewirkt werden, die bedarfsweise zusätzlich in die Schaltungsanordnung integriert sind. Allgemein sind für einen Tiefpassfilter n-ter Ordnung n speichernde Elemente, also Kondensatoren oder Spulen in der Schaltungsanordnung vorzusehen. Die Dämpfung eines Tiefpasses n-ter Ordnung nimmt oberhalb der Grenzfrequenz mit n·20 dB/Dekade zu. Ferner ist es bevorzugt möglich, mehrere parallele Filter, insbesondere Tiefpassfilter, zu verwenden und vorteilhaft in Kombination zu einer Filteranordnung zu in der Elektrolyseanlage zu verschalten. Die jeweiligen Filter sind dabei auf unterschiedliche Frequenzen oder Frequenzband eingestellt, die sie jeweils entstören sollen
In bevorzugter Ausgestaltung der Elektrolyseanlage ist die Filtereinrichtung als aktiver Filter ausgestaltet, wobei die Filtereinrichtung einen Operationsverstärker aufweist.
Mit Operationsverstärkern können vorteilhaft aktive Tiefpässe in der Filtereinrichtung realisiert werden. Diese haben den Vorteil, dass der Frequenzgang auch bei einer am Ausgang angeschlossenen Last erhalten bleibt. Auch können sie so dimensioniert werden, dass sie auch die Stromquelle nur minimal belasten, sodass diese eine Impedanz größer Null haben kann.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Elektrolyseanlage umfasst diese einen Gleichrichter auf, der ausgangsseitig an den Eingang der Schaltungsanordnung angeschlossen ist und der eingangsseitig an eine externe Wechselstromquelle anschließbar ist, so dass ein von hochfrequenten Signalanteilen befreiter Gleichstrom über die Filtereinrichtung dem Elektrolyseur zuführbar ist. Ein von hochfrequenten Signalanteilen befreiter Gleichstrom beinhaltet und umfasst dabei technisch betrachtet auch einen weitgehend oder größtenteils von hochfrequenten Signalalanteilen befreiten Gleichstrom.
Damit ist die Elektrolyseanlage besonders vorteilhaft für den direkten Anschluss an eine Wechselstromquelle ausgestattet und eingerichtet, wie etwa für den Anschluss an eine Windenergieanlage, deren Generator Wechselstrom liefert. Gleichspannungsseitig, d.h. am Ausgang des Wechselrichters, ist der Wechselrichter an die Schaltungsanordnung angeschlossen. Wechselstromseitig, d.h. am Eingang des Wechselrichters, ist der Wechselrichter an eine externe Wechselstromquelle anschließbar. Durch die Zusammenschaltung des Wechselrichters mit der Schaltungsanordnung ist ein entstörter Anschluss der Elektrolyseanlage an eine Wechselstromquelle für den Betrieb der Elektrolyseanlage bereitgestellt. Es ist auch möglich, dass bei dieser Anwendung der Wechselrichter bereits eine integrale Komponente der Schaltungsanordnung ist. Die Schaltungsanordnung weist für einen Wechselstromanschluss der Elektrolyseanlage dann den Wechselrichter und die Filtereinrichtung auf und diese Bauelemente wirken beide vorteilhaft zusammen. Dadurch ist die Elektrolyseanlage konfektioniert für einen Direktanschluss unmittelbar AC-seitig an eine Wechselstromquelle, wie etwa an eine Windenergieanlage im Inselbetrieb. Dabei ist die Elektrolyseanlage unmittelbarer Nähe zu der Windenergieanlage platziert oder in den Windpark mit einer Vielzahl von Windenergieanlagen integriert.
Bevorzugt ist der Gleichrichter regelbar und/oder als Dreiphasengleichrichter ausgestaltet, insbesondere ist der Gleichrichter als B6-Brückengleichrichter ausgebildet.
Eine Regelbarkeit des oder der Gleichrichter, welche vorteilhaft als Dreiphasengleichrichter beziehungsweise als B6-Brückengleichrichter ausgebildet sind, ermöglicht es, den über den oder die Gleichrichter erzeugten Gesamtstrom einzustellen und somit beispielsweise den Betrieb einer mit der Schaltungsanordnung verbundenen Elektrolyseur präzise zu steuern.
Dabei ist in bevorzugter Ausgestaltung der Elektrolyseanlage eine Filtereinrichtung seriell zwischen den Gleichrichter und den Elektrolyseur geschaltet. Die Serienschaltung hinsichtlich Gleichrichtung und Elektrolyseur stellt eine mögliche und vorteilhafte Anordnung der Filtereinrichtung dar. Der Elektrolyseur ist damit vor störenden Einkopplungen hochfrequenter Streuströme, beispielsweise über Erdschleifen, geschützt. Der Laststrom wird in dieser Anordnung vollständig von der Filtereinrichtung getragen.
In alternativ oder zusätzlich bevorzugter Ausgestaltung der Elektrolyseanlage ist eine Filtereinrichtung an den Gleichrichter angeschlossen, wobei die Filtereinrichtung mit einem Bezugspotenzial, insbesondere mit Erdpotenzial oder Masse verbunden ist. Der Laststrom muss als Folge nicht von der Filtereinrichtung getragen werden. Diese alternative Ausgestaltung führt zu einer Lösung, die sich insbesondere günstig auf die Kosten auswirkt.
In dieser Ausgestaltung ist die Filtereinrichtung mit ihrer Eingangsseite unmittelbar an die Gleichstromseite, d.h. den Ausgang des Gleichrichters, angeschlossen und ein zweiter Anschluss an das Erdpotenzial. Der Ausgang des Gleichrichters ist zugleich mit dem Elektrolyseur verbunden, so dass der Ausgang des Gleichrichters, der Eingang der Filtereinrichtung und die Gleichstrom-Versorgungsleitung an den Elektrolyseur auf dem gleichen Potenzial liegen.
Es ist im Prinzip auch möglich und in bestimmten Anwendungen vorteilhaft, dass die oben beschriebene serielle Verschaltung der Filtereinrichtung mit der alternativen Verschaltung über Erdpotenzial in der Schaltungsanordnung kombiniert wird. Eine jeweilige Ausgestaltung und Auswahl einer der beiden Schaltungsvarianten ist aber im Allgemeinen vorzuziehen, da sich dies weniger komplex und kostenaufwändig in der Ausführung darstellt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ergibt sich aus der Ausgestaltung der Elektrolyseanlage für einen bevorzugten elektrischen Anschluss der Elektrolyseanlage an eine externe Stromquelle, insbesondere an eine externe Gleichstromquelle, wobei eine Erneuerbare-Energien-Anlage mit der Elektrolyseanlage direkt elektrisch verbunden ist. Hierdurch ist ein integraler Anlagenverbund gegeben.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung umfasst der Anlagenverbund eine Elektrolyseanlage und eine Erneuerbare-Energien-Anlage, wobei durch die Erneuerbare-Energien-Anlage eine Stromquelle mit einem Ausgang gebildet ist, und wobei die Elektrolyseanlage an den Ausgang der Erneuerbare-Energien-Anlage angeschlossen ist.
Hierdurch ist ein vom öffentlichen Netz unabhängiger Inselnetzbetrieb in dem Anlagenverbund möglich, und eine unmittelbare Nutzung von Strom ausschließlich aus erneuerbaren Quellen für die Elektrolyse, so dass grüner Wasserstoff gebildet ist.
Vorzugsweise weist in dem Anlagenverbund die Erneuerbare-Energien Anlage eine Windenergieanlage auf.
Es ist auch möglich, dass in dem Anlagenverbund die Erneuerbare-Energien-Anlage eine Windenergieanlage ist oder ein Windpark mit einer Vielzahl von Windenergieanlagen. Dabei kann eine Elektrolyseanlage auch von mehreren wechselstromseitig zusammengeschalteten Windenergieanlagen mit Wechselstrom versorgt werden. Die windbasierte Erzeugung von erneuerbarem Grünstrom zu 100% ist besonders attraktiv in Kombination mit der Elektrolyse. Durch den Gleichrichter in der Elektrolyseanlage, der ausgangsseitig an den Eingang der Schaltungsanordnung angeschlossen ist bzw. mit deren Eingang elektrisch verbunden ist, ist eine Filterung und Entstörung erzielt. Der Gleichrichter wandelt dabei den Wechselstrom aus der Windenergieanlage in einen Gleichstrom um und stellt zugleich vorteilhaft die gewünschte Gleichspannungsebene am Eingang für den Betrieb des Elektrolyseurs bereit. Zugleich ist ein direkter Anschluss an die Windenergieanlage und ein integrierter Anlagenverbund erreicht.
Vorteilhaft ist dadurch auch die Möglichkeit eröffnet, mehreren elektrisch parallel geschaltete Elektrolyseure einer Elektrolyseanlage filtern zu können. Es kann in der Elektrolyseanlage sowohl einmal zentral hinter dem Gleichrichter gefiltert werden, oder mit mehreren kleineren entsprechend ausgelegten Filtereinrichtungen direkt an den mehreren parallel geschalteten Elektrolyseuren, die dann für eine Variation einer Teillast zu- und abgeschaltet werden können. Gerade wenn die Elektrolyseprozess eines Elektrolyseurs sich im Stillbefindet, ist dieser Elektrolyseur für hochfrequente Streuström besonders anfällig, verursacht durch den Betrieb der parallel geschalteten Elektrolyseure bzw. Teilanlagen der Elektzrolyseanlage.
In alternativer oder zusätzlicher Ausgestaltung des Anlagenverbunds ist es bevorzugt, dass eine Elektrolyseanlage an eine Erneuerbare-Energien-Anlage angeschlossen ist, wobei die Erneuerbare-Energien-Anlage eine Fotovoltaikanlage aufweist, so dass eine Gleichstromquelle mit einem Ausgang gebildet ist, und wobei die Elektrolyseanlage an den Ausgang der Fotovoltaikanlage angeschlossen ist.
In einer alternativen Ausgestaltung ist es vorzugsweise auch möglich und bevorzugt, dass in dem Anlagenverbund die Erneuerbare-Energien-Anlage eine Fotovoltaikanlage ist. Eine PV-Anlage stellt im Betrieb bereits einen Gleichstrom zur Verfügung, der für die Elektrolyse einfach nutzbar ist.
Auf Seiten der Erneuerbaren-Energie-Anlage sind in dem Anlagenverbund auch Kombianlagen möglich, die sowohl eine Windenergieanlage als auch eine Fotovoltaikanlage aufweisen. Bei einer PV-Anlage ist eine Gleichrichtung nicht erforderlich - hingegen erzeugt eine Windenergieanlage im Allgemeinen zunächst einen Wechselstrom und stellt diesen bereit. Für Elektrolysezwecke in dem Anlagenverbund mit einer Windenergieanlage bedarf es daher eines Gleichrichters. Dieser Gleichrichter ist bevorzugt bereits ein Bauteil der entsprechend für den Betrieb an einer Windenergieanlage eingerichteten Elektrolyseanlage. Ein Gleichrichter kann aber auch bereits in der Windenergieanlage selbst vorgesehen sein, um Gleichstrom am Anschluss oder Übergabepunkt zu der Elektrolyseanlage bereitzustellen.
Für eine Ausgestaltung als eine Kombianlage kann es überdies bevorzugt sein, in einem Anlagenverbund parallel zum einer Windenergieanlage und/oder einer Fotovoltaikanlage eine Batterie oder einen anderen Energiespeicher zu schalten und zu in den Anlagenverbund zu integrieren. Die Batterie oder der Energiespeicher ist bevorzugt dann ebenfalls mit einem DC/DC-Wandler angeschlossen analog zu einer elektrischen Einbindung einer Fotovoltaikanlage.
Somit kann eine direkte Anbindung einer Batterie oder eines Energiespeichers vorgesehen sein, wobei dann bevorzugt die Versorgung und das Laden der Batterie oder des Energiespeichers durch eine Stromquelle vorgesehen ist. Als Ergänzung zu der Erneuerbare-Energie-Anlage (EE-Anlage) ist die Batterie oder der Energiespeicher sinnvoll und sehr vorteilhaft, auch zur Laststeuerung und gleichmäßigen Bestromung der Elektrolyseanlage mit Strom aus der Batterie und vor allem als Puffer bei windarmen und/oder sonnenarmen Wetterlagen.
Im Falle einer Fotovoltaikanlage ist es vorzugsweise vorgesehen, dass in dem Anlagenverbund die Fotovoltaikanlage einen Gleichstromsteller oder Gleichspannungswandler aufweist, aufweist, der den Ausgang bildet.
In diesem Fall wird durch den Ausgang des Gleichstromstellers eine Gleichstromquelle der Fotovoltaikanlage auf einer vorgebbaren Gleichspannungsebene gebildet. Die Elektrolyseanlage ist an den Ausgang der Fotovoltaikanlage direkt und unmittelbar angeschlossen. Denkbar und möglich ist auch, dass der Gleichstromsteller eine Komponente der Leistungselektronik der Elektrolyseanlage ist und entsprechend an die PV-Spannungsebene angepasst.
Ein Gleichspannungswandler, auch DC-DC-Wandler genannt, englisch DC-DC Converter, bezeichnet eine elektrische Schaltung, die eine am Eingang zugeführte Gleichspannung in eine Gleichspannung mit höherem, niedrigerem oder invertiertem Spannungsniveau umwandelt. Die Umsetzung erfolgt mithilfe eines periodisch arbeitenden elektronischen Schalters und eines oder mehrerer Energiespeicher. Gleichspannungswandler zählen zu den selbstgeführten Stromrichtern. Im Bereich der elektrischen Energietechnik werden sie auch als Gleichstromsteller bezeichnet. Die zur Zwischenspeicherung der Energie benutzte Induktivität (induktiver Wandler) besteht aus einer Spule oder einem Wandler-Transformator.
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Elektrolyseanlage der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Anlagenverbunds anzusehen und umgekehrt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den einzigen Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen schematisch und stark vereinfacht:

1 einen Anlagenverbund mit einer Elektrolyseanlage und einer Windenergieanlage in direkter DC-Ankopplung;
2 einen Anlagenverbund gemäß 1 mit alternativer Filterschaltung;
3 einen Anlagenverbund mit einer Elektrolyseanlage und einer Fotovoltaikanlage in direkter DC-Ankopplung;
4 einen Anlagenverbund gemäß 3 mit alternativer Filterschaltung;

Gleiche Bezugszeichen haben in den Figuren die gleiche Bedeutung.
In 1 ist ein Anlagenverbund 100 gemäß der Erfindung dargestellt. Der Anlagenverbund 100 umfasst eine Elektrolyseanlage 1 und eine an die Elektrolyseanlage 1 angeschlossene Windenergieanlage 50A als Erneuerbare-Energie-Anlage (EE-Anlage) und Quelle für grünen Strom. Die Elektrolyseanlage 1 weist einen Elektrolyseur 3 und eine Schaltungsanordnung 5 auf, die mit dem Elektrolyseur 3 elektrisch verbunden ist. Der Anschluss der Schaltungsanordnung 5 an den Elektrolyseur 3 erfolgt über den Ausgang 9. Weiterhin weist die Schaltungsanordnung einen Eingang 7 auf, über den ein Gleichstrom der Elektrolyseanlage zuführbar ist. Der Eingang 7 ist zum Anschluss an eine externe Stromquelle, insbesondere eine externe Gleichstromquelle, ausgelegt. Die Zufuhr von Gleichstrom, so genannter Elektrolysegleichstrom, aus einer Gleichstromquelle erfolgt über die Schaltungsanordnung 5. Zur störungsfreien und rauschunterdrückten Zufuhr eines Gleichstroms hoher Güte weist die Schaltungsanordnung 5 eine elektrische Filtereinrichtung 11 auf. Die Filtereinrichtung 11 ist derart ausgestaltet, dass hochfrequente Signalanteile aus der Stromquelle sehr effektiv dämpfbar und unterdrückbar sind. Hierzu ist die Filtereinrichtung 11 als ein Tiefpass ausgeführt, der ein RC-Glied aufweist, also als passives Bauelement. Weitere Möglichkeiten die Filtereinrichtung 11 auszugestalten sind als Tiefpass 2. Ordnung oder einer höheren Ordnung, die einen LRC-Tiefpass aufweist, also eine Induktivität, einen ohmschen Widerstand sowie eine Kapazität. Vorteilhaft kann auch die Ausstattung der Schaltungsanordnung 5 mit einer Filtereinrichtung 11 ausgeführt als aktiver Filter sein. Die Filtereinrichtung 11 weist dann als aktives Bauelement beispielsweise einen Operationsverstärker auf. Durch die Filtereinrichtung 11 sind Probleme mit Erdschlüssen und entsprechenden nachteiligen Einkopplungen hochfrequenter Störsignale in die Elektrolyseanlage 1 stark reduziert. Dies schützt die besonders empfindlichen Komponenten des Elektrolyseurs 3, insbesondere die Vielzahl der Elektrolysezellen, und garantiert eine Sollspannung hoher Konstanz und Qualität.
Die Elektrolyseanlage 1 weist ferner einen Gleichrichter 15 auf, der ausgangsseitig an den Eingang 7 der Schaltungsanordnung 5 angeschlossen ist. Eingangsseitig ist der Gleichrichter 15 an eine Wechselstromquelle angeschlossen, im Ausführungsbeispiel an eine einen Wechselstrom liefernde Windenergieanlage 50A. Der direkte Wechselstromanschluss (AC-Anschluss) erfolgt über den Ausgang 52 der Windenergieanlage 50A. Durch die elektrische Filtereinrichtung 11 in der Schaltungsanordnung 5 ist bei dem Direktanschluss ein größtenteils von hochfrequenten Signalanteilen befreiter Gleichstrom über die Filtereinrichtung 11 dem Elektrolyseur 3 zuführbar.
Über den Gleichrichter 15 wird die Schaltungsanordnung 5 mit Gleichstrom versorgt, die wiederum mittels der Filtereinrichtung eine sehr wirksame Filterung für die direkte DC-Anbindung ermöglicht. Somit wird der Elektrolyseur 3 mit einem Gleichstrom, dem Elektrolysestrom versorgt. Der Elektrolyseur 3 kann dabei als PEM-Elektrolyseur oder als alkalischer Elektrolyseur ausgestaltet sein.
Zur Versorgung mit Gleichstrom für den Elektrolyseprozess ist die Elektrolyseanlage 1 direkt an die Windenergieanlage 50A angeschlossen. Der Anschluss erfolgt über den Ausgang 52 der Windenergieanlage 50A zunächst an den Gleichrichter 15 und in 1 in einer Serienschaltung an die Schaltungsanordnung 5 mit der Filtereinrichtung 11, die wiederum über den Ausgang 9 den Elektrolyseur 3 mit Elektrolysegleichstrom versorgt. Die Windenergieanlage 50A erzeugt zunächst einen Wechselstrom im Generator. Um einen Gleichstrom an den Elektrolyseur 3 übergeben zu können, ist in der Elektrolyseanlage 1 ein Gleichrichter 15 vorgesehen, so dass der direkte Anschluss am Ausgang 52 wechselstromseitig über diesen Gleichrichter 15 erfolgt, wobei der Gleichrichter hier vorteilhaft ein elektrisches Leistungsbauteil der Elektrolyseanlage 1 ist. Es ist aber auch möglich, dass eine Gleichrichtung bereits vor der Übergabe bei der Windenergieanlage 50A selbst erfolgt.
Für eine Variierung der Spannung bzw. der Stromstärke für die Elektrolyse ist der Gleichrichter 15 regelbar und als Dreiphasengleichrichter als B6-Brückengleichrichter ausgebildet. Dieser weist einen nicht näher dargestellten IGBT als Halbleiterbauelement auf, einen Insulated-Gate-BipolarTransistor. Dies ist ein in der Leistungselektronik gerne verwendetes Bauteil, da es Vorteile des Bipolartransistors wie gutes Durchlassverhalten, hohe Sperrspannung, Robustheit und die Vorteile eines Feldeffekttransistors mit einer nahezu leistungslosen Ansteuerung vereinigt. Die markanten Vorteile von IGBTs sind die hohen Spannungs- und Stromgrenzen: Spannungen von bis zu 6500 V und Stromstärken von bis zu 3600 A bei einer Leistung von bis zu einigen Megawatt prädestinieren IGBT's für den Einsatz in Elektrolyseanlagen. Dadurch ist der IGBT in dem Gleichrichter 15 für den Arbeitsbereich des Elektrolyseurs 3 ideal einsetzbar.
Denkbar ist je nach Anwendung auch die Verwendung eines so genannten IGCT in dem Gleichrichter 15, d.h. eines integrated gate-commutated thyristors. Dieser weist einen verringerten Beschaltungsaufwand, eine Erhöhung der maximalen Pulsfrequenzen zur Ansteuerung sowie bessere Schaltzeiten bei Reihenschaltung auf, was vorteilhaft ist. Das Einsatzgebiet von IGCTs sind Stromrichter hoher Leistung. Ein einzelnes Modul schaltet dabei typischerweise einige Kiloampere bei einer typischen Sperrspannung von 4500 V.
Durch die Schaltungsanordnung 5 ist eine sehr effektive Entstörung über die Filtereinrichtung 11 realisiert. Hierdurch sind im Betrieb hochfrequente elektrische Streuströme stark reduziert, die über Erdschleifen einkoppeln können und den Elektrolyseur 3 mit den sehr empfindlichen Elektrolysezellen beeinträchtigen, da die ohmschen Verluste durch Erdschleifen zu einem sehr nachteiligen Spannungsabfall über den Elektrolysezellen führen können. Je geringer der elektrische Widerstand der Masseverbindung zwischen den beteiligten Komponenten, desto geringer der Potentialunterschied. Erreicht wird dies konventionell durch Kabel und Steckverbindungen mit geringem Widerstand hoher Querschnitt der Schirme, geringer Kontakt-Übergangswiderstand und durch eine je nach Auslegung eventuell optional auch noch zusätzlich vorgesehene galvanische Entkopplung. Es kann in der Filtereinrichtung 11 auch einfach ein Transformator enthalten sein, d.h. ein Eisenkern mit Spulen, was eine weitere Maßnahme der Entstörung und Filterung darstellt, um generell insbesondere die Streuströme gegen Erde zu reduzieren.
Es ist daher möglich, die gewünschte Filterwirkung in der Filtereinrichtung 11 auch unter Verwendung einer Induktivität zu erzielen und die Filtereinrichtung 11 entsprechend auszugestalten und anzupassen. Dabei können in der Filtereinrichtung 11 der Elektrolyseanlage 1 beispielsweise auch mehrere passive Filter für verschiedene Frequenzen oder gemischte passive und aktive Filteranordnungen für die Filtereinrichtung 11 vorgesehen sein. Dies kann unter anderem auch durch die Verwendung einer Spule/Leitung mit hoher Induktivität in Reihe, eines RC-Gliedes (Tiefpassfilter), eines LRC-Tiefpasses 2. Ordnung, die Verwendung eines Tiefpasses höherer Ordnung oder aktive Filterung erfolgen.
Im Betrieb des Anlagenverbunds 100 wird grüner Strom in Windenergieanlage 50A erzeugt. Der im Generator erzeugte Wechselstrom wird im Gleichrichter 15 in einen Gleichstrom umgewandelt. Hierdurch ist durch die Erneuerbare-Energie-Anlage 50 - am Beispiel der Windenergieanlage 50A - letztendlich eine Gleichstromquelle bereitgestellt, so dass über den Ausgang des Gleichrichters 15 ein Gleichstrom direkt in den Eingang 7 der Elektrolyseanlage 1 eingespeist und zunächst an die Schaltungsanordnung 5 übergeben wird. In der Schaltungsanordnung 5 wird eine Filterung durch die Filtereinrichtung 11 durchgeführt, so dass Streuströme unterdrückt oder vermieden sind.
Durch die Schaltungsanordnung 5 wird ausgangsseitig am Ausgang 9 eine störungsfreie oder brummfreie Elektrolyse-Gleichspannung bereitgestellt, mit der der Elektrolyseur 3 stabil betrieben wird, wobei Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt wird. Erdschleifen sind vermieden. Durch den vorteilhaften direkten DC-Anschluss der Elektrolyseanlage 1 an die Windenergieanlage 52A ist ein netzunabhängiger Inselbetrieb möglich und eine dezentrale Erzeugung von grünem Strom Onshore- oder Offshore je nach Anwendung. Der Anteil von grünem Wasserstoff ist hierbei 100%.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Anlagenverbunds 100 mit einer Windenergieanlage 50A ist in 2 eine alternative Filterschaltung gezeigt. Hierbei ist keine serielle Schaltung der Schaltungsanordnung 5 mit der Filtereinrichtung 11 vorgesehen, sondern die Einbindung der Filterfunktion erfolgt dadurch, dass die Schaltungsanordnung 5 direkt am Gleichrichter 15 ausgangsseitig anschließt und gegen ein Bezugspotenzial 17, insbesondere Erdpotenzial, Nullpotenzial oder Masse geführt ist. Somit ist der Elektrolyseur 3 dann über den Ausgang 9 mit gefilterter und entstörter Gleichspannung hoher Güte versorgt. Die Funktionsweise des über die Schaltungsanordnung 5 bereitgestellten gefilterten Direktanschlusses der Elektrolyseanlage 1 an die Windenergieanlage 50A ist analog zu dem in 1 beschriebenen Anlagenverbund 100.
In 3 ist ein Anlagenverbund 100 mit einer Elektrolyseanlage 1 und einer Fotovoltaikanlage 50B in direkter DC-Ankopplung gezeigt, ein Anlagenkonzept mit einer sehr vorteilhaften Gleichstromquelle zur Versorgung der Elektrolyseanlage 1 mit Gleichstrom. Hierbei weist die Erneuerbare-Energien-Anlage 50 eine Fotovoltaikanlage 50B auf, mit einer Vielzahl nicht näher dargestellter PV-Module. Die Fotovoltaikanlage 50B kann beispielsweise als großflächige und leistungsfähige Freifeldanlage - bevorzugt in sonnenreichen Regionen - ausgestaltet sein, so dass PV-Leistungen in der Spitze von mindestens 5 MW elektrischer Leistung für die Elektrolyse zur Verfügung stehen. Auf Seiten der Elektrolyseanlage 1 ist ein analoges Anlagenkonzept wie in 1 angewendet und entsprechenden Anlagenkomponenten, d.h. mit einer Schaltungsanordnung 5 und mit einem Elektrolyseur 3, wobei die Schaltungsanordnung 5 in Reihe zwischen die Fotovoltaikanlage 50B und dem Elektrolyseur 3 angeordnet ist. Hierbei ist die Filtereinrichtung 11 entsprechend in einer Serienschaltung integriert und dem Elektrolyseur 3 vorgeschaltet.
Um auf eine gewünschte und vorteilhafte Spannungsebene für den Anschluss an die Elektrolyseanlage 1 zu kommen, ist in dem Beispiel der 3 an die Fotovoltaikanlage 50B ein Gleichstromsteller 19 angeschlossen. Ein Gleichstromsteller 19 wird auch als DC-DC-Wandler bezeichnet, so dass die an dessen Eingang aus der Fotovoltaikanlage 50B zugeführte Gleichspannung in eine Gleichspannung mit höherem, niedrigerem oder invertiertem Spannungsniveau umwandelt wird. Die Umsetzung erfolgt mithilfe eines periodisch arbeitenden elektronischen Schalters und eines oder mehrerer Energiespeicher. Gleichstromsteller 19 oder auch als Gleichspannungswandler bezeichnet, zählen zu den selbstgeführten Stromrichtern, die im Bereich der elektrischen Energietechnik eine große Rolle spielen. Die zur Zwischenspeicherung der Energie benutzte Induktivität (induktiver Wandler) besteht aus einer Spule oder einem Wandler-Transformator.
Der an die Fotovoltaikanlage 50B angeschlossene Gleichstromsteller 19 ist ausgangsseitig am Ausgang 52 an den Eingang 7 der Schaltungsanordnung 5 angeschlossen, so dass ein direkter Anschluss an die Elektrolyseanlage 1 und Versorgung mit PV-Gleichstrom erzielt ist, wobei durch die Filtereinrichtung 11, insbesondere den Tiefpassfilter, die Streuströme wirkungsvoll unterdrückt werden. In diesem Fall wird durch den Ausgang 52 des Gleichstromstellers eine Gleichstromquelle der Fotovoltaikanlage 52B auf einer vorgebbaren Gleichspannungsebene gebildet. Die Elektrolyseanlage 1 ist an den Ausgang 52 der Fotovoltaikanlage direkt und unmittelbar angeschlossen. Denkbar und möglich ist auch, dass der Gleichstromsteller 19 eine Komponente der Leistungselektronik der Elektrolyseanlage 1 selbst ist und entsprechend an die PV-Spannungsebene angepasst und vorkonfiguriert ist.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Anlagenverbunds 100 mit einer Fotovoltaikanlage 52B ist in 4 einer alternative Filterschaltung gezeigt. Hierbei ist keine serielle Schaltung der Schaltungsanordnung 5 mit der Filtereinrichtung 11 vorgesehen, sondern die Einbindung und Sicherstellung der Filterfunktion erfolgt dadurch, dass die Schaltungsanordnung 5 direkt am Gleichstromsteller 19 ausgangsseitig anschließt und gegen ein Bezugspotenzial 17, insbesondere Erdpotenzial, Nullpotenzial oder Masse geführt ist. Somit ist der Elektrolyseur 3 dann über den Ausgang 9 mit gefilterter und entstörter Gleichspannung hoher Güte versorgt. Die Funktionsweise des über die Schaltungsanordnung 5 bereitgestellten und über die Filtereinrichtung 11 störungsfreien Direktanschlusses der Elektrolyseanlage 1 an die Fotovoltaikanlage 50B ist analog zu dem in 3 beschriebenen Anlagenverbund 100.
Mit der Erfindung ist eine Elektrolyseanlage 1 angegeben, mittels derer ein Gleichstrom oder ein Wechselstrom aus einer erneuerbaren Quelle direkt und störungsfrei in die Elektrolyseanlage 1 einspeisbar ist, so dass 100% grüner Wasserstoff in der Elektrolyse erzeugbar ist. Dies erfolgt besonders vorteilhaft in dem beschriebenen Anlagenverbund 100 umfassend eine Elektrolyseanlage 1 und eine Erneuerbare-Energien-Anlage 50, die direkt miteinander elektrisch verbunden sind und in räumlich in unmittelbarer Nähe aufgestellt und zu einem Anlagenverbund 100 vorteilhaft integriert sind.
Die Schaltungsanordnung 5 mit der Filtereinrichtung 11 ermöglicht dabei einen besonders einfachen und wirkungsvollen DC-Direktanschluss. Dies erscheint gegenüber alternativen Lösungsansätzen mit Transformatoren, mit denen das Prinzip einer galvanischen Trennung oder Entkopplung nutzbar ist, von Kostenvorteil. Auch für den Fall, dass aufgrund anlagentechnischer lokaler Gegebenheiten und Einschränkungen ein komplexes und aufwändiges Transformatorsystem nicht verfügbar oder nicht anwendbar ist, ist eine Filterung mit der elektrischen Filtereinrichtung 11 auf der DC-Seite gemäß der Erfindung zu bevorzugen, wobei hochfrequente Signalanteile gedämpft werden. Dies kann unter anderem auch durch die Verwendung einer Spule/Leitung mit hoher Induktivität in Reihe, eines RC-Gliedes (Tiefpassfilter), eines LRC-Tiefpasses 2. Ordnung, die Verwendung eines Tiefpasses höherer Ordnung oder aktive Filterung erfolgen. Die Filterung in der die Filtereinrichtung 11 aufweisenden Schaltungsanordnung 5 erfolgt dabei entweder direkt am Gleichrichter 15 oder zwischen Gleichrichter 15 und Elektrolyseur 3. Auch eine Filterung an einer Erdleitung, beispielsweise in einer Sternpunkterdung im Generatorsystem oder am oder im Gleichrichter 15 ist möglich. Auch eine Filterung an einer definierten Erdverbindung im Elektrolysesystem, z.B. mittig in einer Modulreihe, wo das Potential ohnehin nahe dem Bezugspotenzial 17 bzw. Erdpotenzial liegt.
Die Anwendung der Elektrolyseanlage 1 der Erfindung sowohl für PEM-Wasserstoffelektrolyseanlagen als auch für alkalische Elektrolyseanlagen in einem Anlagenverbund 100 mit einer Erneuerbare-Energien-Anlage 50 ist besonders vorteilhaft. Hier wurde das Problem der Unterdrückung von hochfrequenten Erdströmen bei einer Direktanbindung, insbesondere einer DC-Direktanbindung, erkannt und wurde sehr vorteilhaft gelöst.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3723254 A1 [0007]

Claims

Elektrolyseanlage (1) umfassend einen Elektrolyseur (3) und eine Schaltungsanordnung (5), die einen Eingang (7) zum Anschluss an eine Stromquelle sowie einen Ausgang (9) aufweist, der an den Elektrolyseur (3) angeschlossen ist, wobei die Schaltungsanordnung (5) eine elektrische Filtereinrichtung (11) aufweist, die derart ausgestaltet ist, dass hochfrequente Signalanteile, insbesondere aus der Stromquelle, dämpfbar sind.
Elektrolyseanlage (1) nach Anspruch 1, bei der die Filtereinrichtung (11) einen Tiefpass aufweist.
Elektrolyseanlage (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Filtereinrichtung (11) als ein Tiefpass 1. Ordnung ausgeführt ist, der ein RC-Glied aufweist.
Elektrolyseanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Filtereinrichtung (11) eine die hohen Frequenzanteile dämpfende Induktivität aufweist.
Elektrolyseanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Filtereinrichtung (11) als ein Tiefpass 2. Ordnung oder höherer Ordnung ausgeführt ist, der mindestens einen LRC-Tiefpass aufweist.
Elektrolyseanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer als aktiver Filter ausgestalteten Filtereinrichtung (11), die einen Operationsverstärker aufweist.
Elektrolyseanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen Gleichrichter (15), der ausgangsseitig an den Eingang (7) der Schaltungsanordnung (5) angeschlossen ist und der eingangsseitig an eine externe Wechselstromquelle anschließbar ist, so dass ein von hochfrequenten Signalanteilen befreiter Gleichstrom über die Filtereinrichtung (11) dem Elektrolyseur (3) zuführbar ist.
Elektrolyseanlage (1) nach Anspruch 7, bei der der Gleichrichter (15) regelbar und/oder als Dreiphasengleichrichter, insbesondere als B6-Brückengleichrichter, ausgebildet ist.
Elektrolyseanlage (1) nach Anspruch 7 oder 8, bei der eine Filtereinrichtung (11) seriell zwischen Gleichrichter (15) und Elektrolyseur (3) geschaltet ist.
Elektrolyseanlage (1) nach einem der Ansprüche 7, 8 oder 9, bei der eine Filtereinrichtung (11) an den Gleichrichter (15) angeschlossen ist und mit einem Bezugspotenzial (17), insbesondere mit Erde, verbunden ist.
Anlagenverbund (100) mit einer Elektrolyseanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mit einer Erneuerbare-Energien-Anlage (50), wobei durch die erneuerbare Energien Anlage (50) eine Stromquelle mit einem Ausgang (52) gebildet ist, und wobei die Elektrolyseanlage (1) an den Ausgang (52) der Erneuerbare-Energien-Anlage (50) angeschlossen ist.
Anlagenverbund (100) nach Anspruch 11, bei der die erneuerbare Energien Anlage (50) eine Windenergieanlage (50A) aufweist.
Anlagenverbund (100) mit einer Elektrolyseanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und mit einer Erneuerbare-Energien-Anlage (50), wobei die erneuerbare Energien Anlage (50) eine Fotovoltaikanlage (50B) aufweist, so dass eine Gleichstromquelle mit einem Ausgang gebildet ist, und wobei die Elektrolyseanlage (1) an den Ausgang (52) der Fotovoltaikanlage (50B) angeschlossen ist.
Anlagenverbund (100) nach Anspruch 13, bei der die Fotovoltaikanlage (50B) einen Gleichstromsteller (19) aufweist, der den Ausgang (52) bildet.