DE202021004131U1 - Hydrogen generation system based on electro-adsorption desalination technology using wind power at sea - Google Patents
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Abstract
Auf Elektroadsorption-Entsalzungstechnologie basiertes System zur Wasserstofferzeugung mittels Windkraft auf dem Meer, dadurch gekennzeichnet, dass es ein auf dem Meer stehendes Windkraftwerk (1), einen Leistungsteiler (2), ein Stromnetz (3), einen AC/DC-Gleichrichter (4), eine elektrolytische Wasserstofferzeugungsvortichtung (5), einen Wasserstoffabscheider (6), einen Wasserstoffspeicher (7), einen Sauerstoffabscheider (8), einen Sauerstoffspeicher (9), einen Ablaufwasserspeicher (12), ein Zuführungsrohr für Meerwasser, eine Elektroadsorption-Entsalzungsvorrichtung (13) und einen Wassernachfüllbehälter (14) umfasst;
wobei ein Ausgang des auf dem Meer stehenden Windkraftwerks (1) mit einem Eingang des Leistungsteilers (2) verbunden ist, ein Ausgang des Leistungsteilers (2) mit dem Stromnetz (3) und einem Eingang des AC/DC-Gleichrichters (4) verbunden ist, ein Ausgang des AC/DC-Gleichrichters (4) mit einer Stromversorgungsschnittstelle der elektrolytischen Wasserstofferzeugungsvortichtung (5) verbunden ist, ein Wasserstoffauslass der elektrolytischen Wasserstofferzeugungsvortichtung (5) über den Wasserstoffabscheider (6) mit dem Wasserstoffspeicher (7) verbunden ist, ein Sauerstoffauslass der elektrolytischen Wasserstofferzeugungsvortichtung (5) mit einem Einlass des Sauerstoffabscheiders (8) verbunden ist, ein Sauerstoffauslass des Sauerstoffabscheiders (8) mit dem Sauerstoffspeicher (9) verbunden ist, ein Wasserauslass des Sauerstoffabscheiders (8) mit einem Einlass des Ablaufwasserspeichers (12) verbunden ist, ein Auslass des Ablaufwasserspeichers (12) und das Zuführungsrohr für Meerwasser mit einem Einlass der Elektroadsorption-Entsalzungsvorrichtung (13) verbunden sind, ein Auslass der Elektroadsorption-Entsalzungsvorrichtung (13) mit einem Einlass des Wassernachfüllbehälters (14) verbunden ist und ein Auslass des Wassernachfüllbehälters (14) mit einem Einlass der elektrolytischen Wasserstofferzeugungsvortichtung (5) verbunden ist.
Hydrogen production system based on electro-adsorption desalination technology by means of offshore wind power, characterized in that it comprises an offshore wind power plant (1), a power divider (2), a power grid (3), an AC/DC rectifier (4) , an electrolytic hydrogen generating device (5), a hydrogen separator (6), a hydrogen storage device (7), an oxygen separator (8), an oxygen storage device (9), a waste water storage device (12), a sea water supply pipe, an electro-adsorption desalination device (13) and a water refill tank (14);
wherein an output of the offshore wind power plant (1) is connected to an input of the power divider (2), an output of the power divider (2) is connected to the power grid (3) and an input of the AC/DC rectifier (4). , an output of the AC/DC rectifier (4) is connected to a power supply interface of the electrolytic hydrogen generation device (5), a hydrogen outlet of the electrolytic hydrogen generation device (5) is connected to the hydrogen storage device (7) via the hydrogen separator (6), an oxygen outlet of the electrolytic hydrogen generation device (5) is connected to an inlet of the oxygen separator (8), an oxygen outlet of the oxygen separator (8) is connected to the oxygen storage tank (9), a water outlet of the oxygen separator (8) is connected to an inlet of the waste water tank (12), an outlet of the drain water tank (12) and the sea water supply pipe with ei an inlet of the electroadsorption desalination device (13), an outlet of the electroadsorption desalination device (13) is connected to an inlet of the water replenishment tank (14), and an outlet of the water replenishment tank (14) is connected to an inlet of the electrolytic hydrogen generation device (5). .
Description
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
Die vorliegende Offenbarung gehört zu dem Gebiet der Wasserstoffenergiequelle und betrifft ein auf Elektroadsorption-Entsalzungstechnologie basiertes System zur Wasserstofferzeugung mittels Windkraft auf dem Meer.The present disclosure belongs to the field of hydrogen energy source and relates to an electro-adsorption desalination technology-based system for hydrogen generation by offshore wind power.
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
Mit der zunehmenden Verschärfung der Probleme des Klimawandels und der globalen Erwärmung engagieren sich verschiedene Länder der Welt aktiv in der Reduzierung der Kohlenstoffemissionen, der Verringerung der Einsatzquote fossiler Energieträger und in der Entwicklung sauberer, erneuerbarer Energiequellen. In China wird ebenfalls die Tat zum Ändern des Verhältnis der zum Einsatz kommenden Energiequellen zueinander beschleunigt und seit den letzten Jahren hat die Stromerzeugung durch die regenerative Energie, insbesondere Windkraft und Photovoltaik, eine rasche Entwicklung erfahren. Aufgrund der Abnahme der Anzahl an guten Windkraftwerken auf dem Festland ist in China die Entwicklung der auf dem Meer stehenden Windkraftwerke allmählich in eine Beschleunigungsphase eingeleitet. Trotz dieser raschen Entwicklung stellt sich dabei jedoch das gleiche Problem wie bei der Offshore-Windkraftbranche verschiedener Länder ein: Die Baugeschwindigkeit des Stromnetzes ist so langsam, dass die schnell wachsende Nachfrage der Stromlieferung nicht erfüllt werden kann, was schließlich zu umfangreicher Einschränkung der Stromerzeugung und der Windkraft führt. Durch Ändern der begrenzten Anwendungsmöglichkeiten der Stromlieferung und der Einbindung des Stromnetzes und durch eine direkte Kopplung der Windkraftwerke auf dem Meer mit einer energieintensiven Industrie und eine Kombination der Einbindung des Stromnetzes mit der Energiespeicherung kann das oben genannte Problem effektiv gelöst werden. Dabei zeichnet sich Wasserstoffenergie durch Sauberkeit und hohe Effizienz aus und wird als der potentialreichste Energieträger der Zukunft angesehen. Die Wasserstofferzeugung mittels der auf dem Meer stehenden Windkraft kann die nicht ausgenutzte oder sogar verschwendete Windkraft oder Stromenergie vorort verbrauchen, das Verhältnis zwischen Stromlieferung und Stromverbrauch im Stromnetz ausgleichen. Sie stellt eine mögliche Lösung für die Entwicklung der Windkraft auf dem Meer dar.As the problems of climate change and global warming become more acute, various countries around the world are actively engaged in reducing carbon emissions, reducing the use of fossil fuels, and developing clean, renewable energy sources. In China, too, the act of changing the ratio of energy sources used to each other is accelerating, and in recent years, power generation by regenerative energy, especially wind power and photovoltaic power, has undergone rapid development. Due to the decrease in the number of good wind power plants on the mainland, the development of offshore wind power plants in China has gradually entered an acceleration phase. Despite this rapid development, however, it faces the same problem as the offshore wind power industry of various countries: the construction speed of the power grid is so slow that it cannot meet the rapidly growing demand for power supply, which eventually leads to extensive curtailment of power generation and consumption wind power leads. By changing the limited applications of power supply and power grid integration, and directly coupling the offshore wind power plants with an energy-intensive industry and combining power grid integration with energy storage, the above problem can be effectively solved. Hydrogen energy is characterized by cleanliness and high efficiency and is regarded as the most potential energy carrier of the future. Hydrogen generation by means of the wind power standing on the sea can consume the unused or even wasted wind power or electricity energy on site, balance the ratio between electricity supply and electricity consumption in the electricity grid. It represents a possible solution for the development of wind power at sea.
Die bisher kommerzialisierten elektrolytischen Wasserstofferzeugungstechnologien umfassen Wasserstofferzeugung durch alkalische Wasserelektrolyse und Wasserstofferzeugung durch Wasserelektrolyse mit einer Protonenaustauschmembran. Bei den beiden Technologien wird Reinwasser als Rohstoff für die Elektrolyse benötigt. Bei Windkraftwerken auf dem Meer wird jedoch die Anwendung der elektrolytischen Wasserstofferzeugungstechnologie durch mangelnde Reinwasserversorgung beschränkt. Durch Meerwasser-Entsalzung mittels von Umkehrosmose, Elektroosmose usw. kann Reinwasser vor Ort erzeugt werden, aber hohe Ausrüstungsinvestitionen und komplizierter technischer Prozess führen dabei zu erheblich gesteigerten Wasserstofferzeugungskosten und reduziertem wirtschaftlichem Nutzen der Wasserstoffenergiespeicherung. Mit der Technologie zur Wasserstofferzeugung durch direkte Meerwasserelektrolyse kann das Problem der Reinwasserversorgung effektiv vermieden werden, aber die hohe Konzentration von Cl-, Mg2+ und Ca2+ im Meerwasser führt zu schwerwiegenden Problemen hinsichtlich der Korrosion der Wasserstofferzeugungsanlagen und der Verringerung der Effizienz. Mit der Elektroadsorptionstechnologie können Ionen im Meerwasser unter Einwirkung einer elektrischen Kraft adsorbiert und abgeschieden werden, womit ein Produktwasser mit einer geringen Konzentration erhalten wird. Bei der Behandlung wird nahezu keine Anforderung an die Qualität des Wassers gestellt und neben guter Stabilität des zyklischen Betriebs kann eine Meerwasser-Entsalzung mit geringem Energieverbrauch beim Anlegen einer niedrigen äußeren Spannung erreicht wird. Als Rohstoff für die elektrolytische Wasserstofferzeugung wird verdünntes Meerwasser nach der Elektroadsorption-Entsalzung verwendet, womit das oben genannte technische Problem der Wasserstofferzeugung durch direkte Meerwasserelektrolyse effektiv gelöst werden kann.The electrolytic hydrogen generation technologies commercialized to date include alkaline water electrolysis hydrogen generation and water electrolysis hydrogen generation with a proton exchange membrane. Both technologies require pure water as a raw material for the electrolysis. However, for offshore wind power plants, the application of electrolytic hydrogen generation technology is limited by the lack of pure water supply. Pure water can be produced on-site by seawater desalination using reverse osmosis, electro-osmosis, etc., but high equipment investment and complicated technical process result in significantly increased hydrogen production costs and reduced economic benefits of hydrogen energy storage. With direct seawater electrolysis hydrogen generation technology, it can effectively avoid the problem of pure water supply, but the high concentration of Cl - , Mg 2+ and Ca 2+ in seawater will cause serious problems of hydrogen generation equipment corrosion and efficiency reduction. With the electro-adsorption technology, ions in seawater can be adsorbed and separated under the action of an electric force, thereby obtaining a product water with a low concentration. During the treatment, there are almost no demands on the quality of the water and in addition to good stability of the cyclic operation, seawater desalination can be achieved with low energy consumption when a low external voltage is applied. Diluted seawater after electro-adsorption desalination is used as the raw material for electrolytic hydrogen production, which can effectively solve the above technical problem of hydrogen production by direct seawater electrolysis.
Zurzeit wird die Technologie der Wasserstofferzeugung durch Windkraft vor allem bei Onshore-Windkraftanlagen eingesetzt. Dabei ist der durch Windkraft erzeugte Strom nicht vollständig verbraucht. Infolge der Beschränkung der Reinwasserversorgung wurde bisher nichts von der Wasserstofferzeugungstechnologie zur Wasserstoffenergiespeicherung bei Windkraftwerken auf dem Meer berichtet. Daher werden auf diesem Gebiet ein auf Elektroadsorption-Entsalzungstechnologie basiertes System und Verfahren zur Wasserstofferzeugung mittels Windkraft auf dem Meer benötigt, um somit durch Kombinieren der Meerwasser-Entsalzung mit der elektrolytischen Wasserstofferzeugung das Offshore- und Vorort-Verbrauchen des durch die erneuerbare Windkraft erzeugten Stroms zu erreichen.At present, the technology of generating hydrogen from wind power is mainly used in onshore wind power plants. The electricity generated by wind power is not completely consumed. Due to the limitation of pure water supply, hydrogen generation technology for hydrogen energy storage in offshore wind power plants has not been reported so far. Therefore, an electro-adsorption desalination technology-based system and methods for offshore wind power generation of hydrogen are needed in this field, thereby increasing offshore and on-site consumption of the electricity generated by renewable wind power by combining seawater desalination with electrolytic hydrogen generation reach.
INHALT DER VORLIEGENDEN OFFENBARUNGCONTENTS OF THE PRESENT DISCLOSURE
Technisches ProblemTechnical problem
Lösung des Problemsthe solution of the problem
Technische LösungTechnical solution
Die der vorliegenden Offenbarung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, den oberen im Stand der Technik genannten Nachteil zu überwinden, sowie ein auf Elektroadsorption-Entsalzungstechnologie basiertes System und Verfahren zur Wasserstofferzeugung mittels Windkraft auf dem Meer bereitzustellen, das die Meerwasser-Entsalzung mit der elektrolytischen Wasserstofferzeugung kombiniert und somit das Offshore- und Vorort-Verbrauchen des durch die erneuerbare Windkraft erzeugten Stroms erreicht.The object underlying the present disclosure is to overcome the above disadvantage mentioned in the prior art and to provide an electro-adsorption desalination technology-based system and method for offshore wind power generation of hydrogen, which combines seawater desalination with electrolytic hydrogen generation and thus achieved the offshore and on-site consumption of the electricity generated by the renewable wind power.
Die Aufgabe wird gelöst durch das auf Elektroadsorption-Entsalzungstechnologie basiertes System zur Wasserstofferzeugung mittels Windkraft auf dem Meer gemäß der vorliegenden Offenbarung, das ein auf dem Meer stehendes Windkraftwerk, einen Leistungsteiler, ein Stromnetz, einen AC/DC-Gleichrichter, eine elektrolytische Wasserstofferzeugungsvortichtung, einen Wasserstoffabscheider, einen Wasserstoffspeicher, einen Sauerstoffabscheider, einen Sauerstoffspeicher, einen Ablaufwasserspeicher, ein Zuführungsrohr für Meerwasser, eine Elektroadsorption-Entsalzungsvorrichtung und einen Wassernachfüllbehälter umfasst;
wobei ein Ausgang des auf dem Meer stehenden Windkraftwerks mit einem Eingang des Leistungsteilers verbunden ist, ein Ausgang des Leistungsteilers mit dem Stromnetz und einem Eingang des AC/DC-Gleichrichters verbunden ist, ein Ausgang des AC/DC-Gleichrichters mit einer Stromversorgungsschnittstelle der elektrolytischen Wasserstofferzeugungsvortichtung verbunden ist, ein Wasserstoffauslass der elektrolytischen Wasserstofferzeugungsvortichtung über den Wasserstoffabscheider mit dem Wasserstoffspeicher verbunden ist, ein Sauerstoffauslass der elektrolytischen Wasserstofferzeugungsvortichtung mit einem Einlass des Sauerstoffabscheiders verbunden ist, ein Sauerstoffauslass des Sauerstoffabscheiders mit dem Sauerstoffspeicher verbunden ist, ein Wasserauslass des Sauerstoffabscheiders mit einem Einlass des Ablaufwasserspeichers verbunden ist, ein Auslass des Ablaufwasserspeichers und das Zuführungsrohr für Meerwasser mit einem Einlass der Elektroadsorption-Entsalzungsvorrichtung verbunden sind, ein Auslass der Elektroadsorption-Entsalzungsvorrichtung mit einem Einlass des Wassernachfüllbehälters verbunden ist und ein Auslass des Wassernachfüllbehälters mit einem Einlass der elektrolytischen Wasserstofferzeugungsvortichtung verbunden ist.The object is achieved by the electro-adsorption desalination technology-based offshore wind power hydrogen generation system according to the present disclosure, which includes an offshore wind power plant, a power divider, a power grid, an AC/DC rectifier, an electrolytic hydrogen generation device, a hydrogen separator, a hydrogen storage tank, an oxygen separator, an oxygen storage tank, a drain water storage tank, a seawater supply pipe, an electro-adsorption desalinator, and a water replenishing tank;
wherein an output of the offshore wind power plant is connected to an input of the power divider, an output of the power divider is connected to the power grid and an input of the AC/DC rectifier, an output of the AC/DC rectifier is connected to a power supply interface of the electrolytic hydrogen production device a hydrogen outlet of the electrolytic hydrogen generating device is connected to the hydrogen storage tank via the hydrogen separator, an oxygen outlet of the electrolytic hydrogen generating device is connected to an inlet of the oxygen separator, an oxygen outlet of the oxygen separator is connected to the oxygen storage tank, a water outlet of the oxygen separator is connected to an inlet of the drain water storage tank an outlet of the drain water tank and the seawater supply pipe are connected to an inlet of the electroadsorption desalination apparatus d, an outlet of the electroadsorption desalination device is connected to an inlet of the water replenishing tank, and an outlet of the water replenishing tank is connected to an inlet of the electrolytic hydrogen generating device.
Die vorliegende Offenbarung umfasst ferner einen Kühler und eine Umwälzpumpe, wobei ein Einlass der Umwälzpumpe mit dem Wasserauslass des Sauerstoffabscheiders verbunden und ein Auslass der Umwälzpumpe über den Kühler mit einem Wassereinlass der elektrolytischen Wasserstofferzeugungsvortichtung verbunden ist.The present disclosure further includes a cooler and a circulating pump, wherein an inlet of the circulating pump is connected to the water outlet of the oxygen separator and an outlet of the circulating pump is connected to a water inlet of the electrolytic hydrogen generating device via the cooler.
Dabei handelt es sich bei der elektrolytischen Wasserstofferzeugungsvortichtung um einen Anionenaustauschmembran-Elektrolyseur und bei einer Membran in der elektrolytischen Wasserstofferzeugungsvortichtung um eine selektive OH--Austauschmembran, die eine quaternäre Ammonium-Verbindung, Imidazol und Pyridin enthält; wobei für eine Anode und eine Kathode in der elektrolytischen Wasserstofferzeugungsvortichtung ein Titangitter, eine Titan-Wellplatte, ein Nickelschaum oder ein Kupferschaum als ein Substrat verwendet wird, dessen Oberfläche mit einer aktiven Beschichtung versehen ist; wobei die Kathode, die Membran und die Anode in engem Kontakt stehen, womit eine Nullabstand-Elektrolyseurstruktur gebildet wird.The electrolytic hydrogen generating device is an anion exchange membrane electrolyzer, and a membrane in the electrolytic hydrogen generating device is a selective OH - exchange membrane containing a quaternary ammonium compound, imidazole and pyridine; wherein for an anode and a cathode in the electrolytic hydrogen generating device, a titanium mesh, a titanium corrugated plate, a nickel foam or a copper foam is used as a substrate whose surface is provided with an active coating; wherein the cathode, membrane and anode are in intimate contact forming a zero gap electrolyzer structure.
Eine Elektrode in der Elektroadsorption-Entsalzungsvorrichtung ist plattenförmig oder filzartig ausgebildet und an einer Oberfläche der Elektrode ist ein Polytetrafluorethylen-Gewebe angebracht, wobei die Elektrode aus einem oder mehreren der folgenden Materialien hergestellt ist: Aktivkohlen, Kohlenstofffasern und Kohlenstoffnanoröhren.An electrode in the electroadsorption desalting apparatus is formed into a plate-like or felt-like shape, and a polytetrafluoroethylene fabric is attached to a surface of the electrode, the electrode being made of one or more of the following materials: activated carbons, carbon fibers and carbon nanotubes.
Das auf Elektroadsorption-Entsalzungstechnologie basiertes Verfahren zur Wasserstofferzeugung mittels Windkraft auf dem Meer gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst die folgenden Schritte:
- Stromerzeugung durch ein auf dem Meer stehendes Windkraftwerk in Echtzeit; Speisen der durch das auf dem Meer stehende Windkraftwerk erzeugten Elektrizität über einen Leistungsteiler sämtlich an ein Stromnetz, wenn die durch das auf dem Meer stehende Windkraftwerk erzeugte Strommenge gleich oder geringer als eine geplante Strommenge des Stromnetzes ist;
- Speisen der übermäßigen Elektrizität über den Leistungsteiler und einen AC/DC-Gleichrichter an eine elektrolytische Wasserstofferzeugungsvorichtung unter der Voraussetzung, dass die durch das auf dem Meer stehende Windkraftwerk erzeugte Elektrizität die Anforderung der Planung des Stromnetzes erfüllt, wenn die durch das auf dem Meer stehende Windkraftwerk erzeugte Strommenge größer als die geplante Strommenge des Stromnetzes ist, und Erzeugen von Wasserstoff und Sauerstoff durch Elektrolyse von Wasser bei der elektrolytischen Wasserstofferzeugungsvortichtung; wobei Wasserstoff in ein Wasserstoffspeichersystem eintritt,
- dort gespeichert wird und in einen Wasserstoffabscheider zum Trennen eintritt, wobei abgeschiedenes Sauerstoff in einen Sauerstoffspeicher eintritt und abgeschiedenes Wasser in einen Ablaufwasserspeicher eintritt, wobei Meerwasser, das durch ein Zuführungsrohr für Meerwasser zugeführt wird, und Wasser, das aus dem Ablaufwasserspeicher zugeführt wird, nach Zusammenlaufen in die elektrolytische Wasserstofferzeugungsvortichtung eintreten und dort durch Elektrolyse entsalzt werden, wobei verdünntes Meerwasser nach der elektrolytischen Entsalzung in einen Wassernachfüllbehälter eintritt und aus dem Wassernachfüllbehälter zugeführtes verdünntes Meerwasser in die elektrolytische Wasserstofferzeugungsvortichtung eintritt.
- Electricity generation by a wind power plant standing on the sea in real time; feeding the electricity generated by the offshore wind power plant all to a power grid via a power divider when the amount of power generated by the offshore wind power plant is equal to or less than a planned power amount of the power grid;
- Feeding the excessive electricity through the power divider and an AC/DC rectifier to an electrolytic hydrogen generating device, provided that the electricity generated by the offshore wind power plant meets the requirement of the power grid planning when the offshore wind power plant generated electricity amount is larger than the planned electricity amount of the electric power grid, and generating hydrogen and oxygen by electrolysis of water at the electrolytic hydrogen generating device; where hydrogen enters a hydrogen storage system,
- is stored there and enters a hydrogen separator for separation, wherein separated oxygen enters an oxygen storage tank and separated water enters a drain water storage tank, with sea water supplied through a sea water supply pipe and water supplied from the drain water storage tank after converging enter the electrolytic hydrogen generating device and are desalinated there by electrolysis, wherein diluted seawater after electrolytic desalination enters a water replenishing tank and diluted seawater supplied from the water replenishing tank enters the electrolytic hydrogen generating device.
Vorteilhafte Auswirkungen der OffenbarungBeneficial Effects of Disclosure
Vorteilhafte AuswirkungenBeneficial Effects
Die vorliegende Offenbarung zeichnet sich durch die nachstehenden vorteilhaften Auswirkungen aus:
- Beim Betrieb des auf Elektroadsorption-Entsalzungstechnologie basiertes System und Verfahren zur Wasserstofferzeugung mittels Windkraft auf dem Meer nach der vorliegenden Offenbarung wird unter der Voraussetzung, dass die durch das auf dem Meer stehende Windkraftwerk erzeugte Strommenge die Anforderung der Planung des Stromnetzes erfüllt, die übermäßige Elektrizität über den AC/DC-Gleichrichter in die elektrolytische Wasserstofferzeugungsvortichtung eingespeist. Wasserstoff und Sauerstoff werden durch Elektrolyse von Wasser bei der elektrolytischen Wasserstofferzeugungsvortichtung erzeugt, womit das Offshore- und Vorort-Verbrauchen des durch die erneuerbare Windkraft erzeugten Stroms erreicht und das Problem von nicht ausgenutzter oder sogar verschwendeter Windkraft oder umgewandelter Stromenergie beim auf dem Meer stehenden Windkraftwerk gelöst wird. Des Weiteren tritt Meerwasser, das durch das Zuführungsrohr für Meerwasser zugeführt wird, in die elektrolytische Wasserstofferzeugungsvortichtung ein, und wird dort durch Elektrolyse entsalzt und verdünntes Meerwasser nach der elektrolytischen Entsalzung tritt in die elektrolytische Wasserstofferzeugungsvortichtung ein, womit die Meerwasser-Entsalzung mit der elektrolytischen Wasserstofferzeugung kombiniert und somit die Abhängigkeit der herkömmlichen elektrolytischen Wasserstofferzeugung von Reinwasser vermieden wird, was zum Sparen der Investitionen für Meerwasser-Entsalzung bei herkömmlicher Wasserstofferzeugungstechnik und somit zu erheblicher Senkung der Anlageinvestitionen der Offshore-Windkraft-Wasserstofferzeugungsproj ekte beiträgt. Des Weiteren ist darauf hinzuweisen, dass bei der vorliegenden Offenbarung durch Verwendung der Elektroadsorption-Entsalzungstechnologie die Konzentration von Cl- im Meerwasser im Wasserstofferzeugungssystem gesenkt wird, was für das Unterdrücken der Korrosion des Katalysators und der Elektrodenplatte und das Verlängern der Lebensdauer des Wasserstofferzeugungssystems zweckmäßig ist. Gleichzeitig werden Ca2+ und Mg2+ effektiv aus dem Meerwasser beseitigt, womit die Ablagerung der Härte-Ionen an der Oberfläche der Elektrode verhindert wird, wodurch der Energieverbrauch und die Kosten der Wasserstofferzeugung erheblich gesenkt werden können.
- In the operation of the electro-adsorption desalination technology-based system and method for hydrogen generation by offshore wind power according to the present disclosure, provided that the amount of electricity generated by the offshore wind power plant meets the requirement of power grid planning, the excess electricity over the AC/DC rectifier is fed into the electrolytic hydrogen generating device. Hydrogen and oxygen are generated by electrolysis of water at the electrolytic hydrogen generation device, thus achieving the offshore and on-site consumption of the electricity generated by the renewable wind power and solving the problem of unused or even wasted wind power or converted electricity energy at the offshore wind power plant becomes. Further, seawater fed through the seawater feed pipe enters the hydrogen electrolytic generation device and is desalinated there by electrolysis, and diluted seawater after desalination enters the hydrogen electrolytic generation device, thus combining seawater desalination with hydrogen electrolysis and thus avoiding the dependence of the conventional electrolytic hydrogen generation on pure water, which contributes to saving the investment for seawater desalination in the conventional hydrogen generation technology, and thus greatly reducing the fixed investment of the offshore wind power hydrogen generation projects. Furthermore, it should be noted that in the present disclosure, by using the electro-adsorption desalination technology, the concentration of Cl - in seawater in the hydrogen generation system is lowered, which is useful for suppressing the corrosion of the catalyst and the electrode plate and extending the life of the hydrogen generation system. At the same time, Ca 2+ and Mg 2+ are effectively removed from the seawater, preventing the deposition of the hardness ions on the surface of the electrode, which can greatly reduce the energy consumption and cost of hydrogen generation.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Darstellung der ZeichnungenPresentation of the drawings
-
1 ist eine Prinzipdarstellung der vorliegenden Offenbarung.1 1 is a schematic diagram of the present disclosure.
Darin stehen
- 1
- für auf dem Meer stehendes Windkraftwerk,
- 2
- für Leistungsteiler,
- 3
- für Stromnetz,
- 4
- für AC/DC-Gleichrichter,
- 5
- für elektrolytische Wasserstofferzeugungsvortichtung,
- 6
- für Wasserstoffabscheider,
- 7
- für Wasserstoffspeicher,
- 8
- für Sauerstoffabscheider,
- 9
- für Sauerstoffspeicher,
- 10
- für Umwälzpumpe,
- 11
- für Kühler,
- 12
- für Ablaufwasserspeicher,
- 13
- für Elektroadsorption-Entsalzungsvorrichtung und
- 14
- für Wassernachfüllbehälter.
- 1
- for offshore wind power plant,
- 2
- for power dividers,
- 3
- for power grid,
- 4
- for AC/DC rectifiers,
- 5
- for electrolytic hydrogen generation device,
- 6
- for hydrogen separator,
- 7
- for hydrogen storage,
- 8th
- for oxygen separator,
- 9
- for oxygen storage,
- 10
- for circulation pump,
- 11
- for cooler,
- 12
- for drain water tank,
- 13
- for electro adsorption desalination device and
- 14
- for water refill tank.
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE DER OFFENBARUNGEXEMPLARY EMBODIMENTS OF THE DISCLOSURE
Ausführungsformen der vorliegenden OffenbarungEmbodiments of the present disclosure
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung auf die vorliegende Offenbarung näher eingegangen:
- Es wird auf
1 hingewiesen. Das auf Elektroadsorption-Entsalzungstechnologie basiertes System zur Wasserstofferzeugung mittels Windkraft auf dem Meer nach der vorliegenden Offenbarung umfasst ein auf dem Meer stehendes Windkraftwerk 1, einen Leistungsteiler 2, ein Stromnetz 3, einen AC/DC-Gleichrichter 4, eine elektrolytische Wasserstofferzeugungsvortichtung 5, einen Wasserstoffabscheider 6, einen Wasserstoffspeicher 7, einen Sauerstoffabscheider 8, einen Sauerstoffspeicher 9, einen Ablaufwasserspeicher 12, ein Zuführungsrohr für Meerwasser, eine Elektroadsorption-Entsalzungsvorrichtung 13 und einen Wassernachfüllbehälter 14; wobei ein Ausgang des auf dem Meer stehenden Windkraftwerks 1 mit einem Eingang des Leistungsteilers 2 verbunden ist, ein Ausgang des Leistungsteilers 2 mit dem Stromnetz 3 und einem Eingang des AC/DC-Gleichrichters 4 verbunden ist, ein Ausgang des AC/DC-Gleichrichters 4 mit einer Stromversorgungsschnittstelle der elektrolytischen Wasserstofferzeugungsvortichtung 5 verbunden ist, ein Wasserstoffauslass der elektrolytischen Wasserstofferzeugungsvortichtung 5 über den Wasserstoffabscheider 6 mit dem Wasserstoffspeicher 7 verbunden ist, ein Sauerstoffauslass der elektrolytischen Wasserstofferzeugungsvortichtung 5 mit einem Einlass des Sauerstoffabscheiders 8 verbunden ist, ein Sauerstoffauslass des Sauerstoffabscheiders 8 mit dem Sauerstoffspeicher 9 verbunden ist, ein Wasserauslass des Sauerstoffabscheiders 8 mit einem Einlass des Ablaufwasserspeichers 12 verbunden ist, ein Auslass des Ablaufwasserspeichers 12 und das Zuführungsrohr für Meerwasser mit einem Einlass der Elektroadsorption-Entsalzungsvorrichtung 13 verbunden sind, ein Auslass der Elektroadsorption-Entsalzungsvorrichtung 13 mit einem Einlass des Wassernachfüllbehälters 14 verbunden ist und ein Auslass des Wassernachfüllbehälters 14 mit einem Einlass der elektrolytischen Wasserstofferzeugungsvortichtung 5 verbunden ist.
- It will be on
1 pointed out. The electro-adsorption desalination technology-based offshore wind power hydrogen generation system of the present disclosure includes an offshore wind power plant 1, a power divider 2, a power grid 3, an AC/DC rectifier 4, an electrolytic hydrogen generating device 5, a hydrogen separator 6, a hydrogen storage tank 7, an oxygen separator 8, an oxygen storage tank 9, a drain water storage tank 12, a seawater supply pipe, an electro-adsorption desalinator 13 and a water replenishing tank 14; wherein an output of the offshore wind power plant 1 is connected to an input of the power divider 2, an output of the power divider 2 is connected to the power grid 3 and an input of the AC/DC rectifier 4, an output of the AC/DC rectifier 4 is connected to a power supply interface of the electrolytic hydrogen generating device 5, a hydrogen outlet of the electrolytic hydrogen generating device 5 is connected to the hydrogen storage device 7 via the hydrogen separator 6, an oxygen outlet of the electrolytic hydrogen generating device 5 is connected to an inlet of the oxygen separator 8, an oxygen outlet of the oxygen separator 8 is connected to the oxygen storage device 9, a water outlet of the oxygen separator 8 is connected to an inlet of the drain water tank 12, an outlet of the drain water tank 12 and the seawater supply pipe to an inlet of the electroadsorption Desalination device 13 are connected, an outlet of the electroadsorption desalination device 13 is connected to an inlet of the water replenishing tank 14 and an outlet of the water replenishing tank 14 is connected to an inlet of the electrolytic hydrogen generation device 5 .
Die vorliegende Offenbarung umfasst ferner einen Kühler 11 und eine Umwälzpumpe 10, wobei ein Einlass der Umwälzpumpe 10 mit dem Wasserauslass des Sauerstoffabscheiders 8 verbunden und ein Auslass der Umwälzpumpe 10 über den Kühler 11 mit einem Wassereinlass der elektrolytischen Wasserstofferzeugungsvortichtung 5 verbunden ist.The present disclosure further includes a
Das auf Elektroadsorption-Entsalzungstechnologie basiertes Verfahren zur Wasserstofferzeugung mittels Windkraft auf dem Meer nach der vorliegenden Offenbarung umfasst die folgenden Schritte:
- Stromerzeugung durch das auf dem
Meer stehende Windkraftwerk 1 in Echtzeit; Speisen der durch das auf demMeer stehende Windkraftwerk 1 erzeugten Elektrizität überden Leistungsteiler 2 sämtlich andas Stromnetz 3, wenn die durch das auf demMeer stehende Windkraftwerk 1 erzeugte Strommenge gleich oder geringer als eine geplante Strommenge des Stromnetzes 3 ist; Speisen der übermäßigen Elektrizität überden Leistungsteiler 2 und den AC/DC-Gleichrichter 4 andie elektrolytische Wasserstofferzeugungsvortichtung 5 unter der Voraussetzung, dass die durch das auf demMeer stehende Windkraftwerk 1 erzeugte Elektrizität die Anforderung der Planung des Stromnetzes 3 erfüllt, wenn die durch das auf demMeer stehende Windkraftwerk 1 erzeugte Strommenge größer als die geplante Strommenge des Stromnetzes 3 ist, und Erzeugen von Wasserstoff und Sauerstoff durch Elektrolyse von Wasser bei der elektrolytischen Wasserstofferzeugungsvortichtung 5; wobei Wasserstoff in das Wasserstoffspeichersystem eintritt, dort gespeichert wird und inden Wasserstoffabscheider 6 zum Trennen eintritt, wobei abgeschiedenes Sauerstoff inden Sauerstoffspeicher 9 eintritt und abgeschiedenes Wasser inden Ablaufwasserspeicher 12 eintritt, wobei Meerwasser, das durch das Zuführungsrohr für Meerwasser zugeführt wird, und Wasser, dasaus dem Ablaufwasserspeicher 12 zugeführt wird, nach Zusammenlaufen indie elektrolytische Wasserstofferzeugungsvortichtung 5 eintreten und dort durch Elektrolyse entsalzt werden, wobei verdünntes Meerwasser nach der elektrolytischen Entsalzung inden Wassernachfüllbehälter 14 eintritt und ausdem Wassernachfüllbehälter 14 zugeführtes verdünntes Meerwasser indie elektrolytische Wasserstofferzeugungsvortichtung 5 eintritt.
- Electricity generation by the offshore
wind power plant 1 in real time; feeding the electricity generated by the offshorewind power plant 1 all to thepower grid 3 via thepower divider 2 when the amount of power generated by the offshorewind power plant 1 is equal to or less than a planned power amount of thepower grid 3; Feeding the excess electricity to the electrolytichydrogen generating device 5 through thepower divider 2 and the AC/DC rectifier 4, provided that the electricity generated by the offshorewind power plant 1 meets the requirement of thepower grid 3 planning when the offshorewind power plant 1 is larger than the projected power amount of thepower grid 3, and generating hydrogen and oxygen by electrolysis of water at the electrolytichydrogen generating device 5; wherein hydrogen enters the hydrogen storage system, is stored there and enters thehydrogen separator 6 for separation, separated oxygen enters theoxygen storage 9, and separated water enters thedrain water storage 12, sea water supplied through the sea water supply pipe and water supplied from thedrain water tank 12, after converging, enter the electrolytichydrogen generating device 5 and desalinated there by electrolysis, wherein diluted seawater after electrolytic desalination enters thewater replenishing tank 14, and diluted seawater supplied from thewater replenishing tank 14 enters the electrolytichydrogen generating device 5 .
Durch die Elektroadsorption-Entsalzungsvorrichtung 13 wird Meerwasser entsalzt und das erhaltene verdünnte Meerwasser ist in dem Wassernachfüllbehälter 14 gespeichert und wird als Wasserquelle als ein Rohstoff für die elektrolytische Wasserstofferzeugungsvortichtung 5 verwendet. Das System regelt automatisch die Nachfüllmenge und die Ablaufmenge von Meerwasser in Abhängigkeit von der elektrischen Leitfähigkeit zirkulierten Meerwassers. Wenn die elektrische Leitfähigkeit zirkulierten Meerwassers, das den Elektrolyseur durchläuft, einen eingestellten Wert überschreitet, wird das Wasser aus dem System abgelassen und in den Ablaufwasserspeicher 12 geleitet, wonach verdünntes Meerwasser aus dem Wassernachfüllbehälter 14 in das System nachgefüllt wird; Wenn die elektrische Leitfähigkeit zirkulierten Meerwassers, das den Elektrolyseur durchläuft, einen eingestellten Wert unterschreitet, wird die Nachfüllung des Wassers gestoppt.Seawater is desalinated by the
Dabei handelt es sich bei der elektrolytischen Wasserstofferzeugungsvortichtung 5 um einen Anionenaustauschmembran-Elektrolyseur und bei einer Membran in der elektrolytischen Wasserstofferzeugungsvortichtung 5 um eine selektive OH--Austauschmembran, die eine quaternäre Ammonium-Verbindung, Imidazol und Pyridin enthält; wobei für eine Anode und eine Kathode in der elektrolytischen Wasserstofferzeugungsvortichtung 5 ein Titangitter, eine Titan-Wellplatte, ein Nickelschaum oder ein Kupferschaum als ein Substrat verwendet wird, dessen Oberfläche mit einer aktiven Beschichtung versehen ist; wobei die Kathode, die Membran und die Anode in engem Kontakt stehen, womit eine Nullabstand-Elektrolyseurstruktur gebildet wird.Here, the electrolytic
Eine Elektrode in der Elektroadsorption-Entsalzungsvorrichtung 13 ist plattenförmig oder filzartig ausgebildet und an einer Oberfläche der Elektrode ist ein Polytetrafluorethylen-Gewebe angebracht, wobei die Elektrode aus einem oder mehreren der folgenden Materialien hergestellt ist: Aktivkohlen, Kohlenstofffasern und Kohlenstoffnanoröhren. Indem an der Oberfläche der Elektrode ein Polytetrafluorethylen-Gewebe angebracht ist, wird die Verwirbelung von Meerwasser erhöht und die Ansammlung der Ionen in einer elektrischen Doppelschicht an der Oberfläche der Elektrode gefördert. Meerwasser durchströmt den Zwischenraum zwischen einer Kathodenplatte und einer Anodenplatte. Unter Einwirkung eines elektrischen Feldes sammelt sich Cl- an der Oberfläche der Anode an, während sich Na+, Mg2+ und Ca2+ an der Oberfläche der Kathode ansammeln, womit eine Meerwasser-Entsalzung erreicht und verdünntes Meerwasser mit erheblich verringerter Ionenkonzentration und erheblich verringerter elektrischer Leitfähigkeit erhalten wird. Die Senkung der Konzentration von Cl- im Meerwasser ist zweckmäßig für den Korrosionsschutz des Elektrolyseurs; Die Senkung der Konzentrationen von Mg2+ und Ca2+ im Meerwasser ist zweckmäßig für das Unterdrücken der Bildung der Ablagerung an der Oberfläche der Elektrode und das Erhöhen der Effizienz bei der Elektrolyse.An electrode in the
Während des Betriebs weist die Elektroadsorption-Entsalzungsvorrichtung 13 zwei Betriebszustände auf: nämlich Elektroadsorption-Entsalzung und Desorption zum Austrag der Verunreinigung; Wenn die Beseitigungsquote höher als ein eingestellter Wert ist, wird die Vorrichtung in dem Betriebszustand der Elektroadsorption-Entsalzung gehalten; Wenn die Beseitigungsquote niedriger als der eingestellte Wert ist, wird die Stromversorgung zur Elektrode unterbrochen und eine Desorption zum Austrag der Verunreinigung durchgeführt; Die Dauer der Desorption zum Austrag der Verunreinigung ist ein festgelegter Wert und nach Abschluss des Austrags der Verunreinigung wird die Anodenplatte weiter bestromt, sodass die Elektroadsorption-Entsalzungsvorrichtung 13 wieder in den Betriebszustand der Elektroadsorption-Entsalzung kommt.During the operation, the
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