EP4073918A1 - Verfahren zum betreiben einer anlage zur elektrolyse und anlage zur elektrolyse - Google Patents

Verfahren zum betreiben einer anlage zur elektrolyse und anlage zur elektrolyse

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EP4073918A1
EP4073918A1 EP20812224.2A EP20812224A EP4073918A1 EP 4073918 A1 EP4073918 A1 EP 4073918A1 EP 20812224 A EP20812224 A EP 20812224A EP 4073918 A1 EP4073918 A1 EP 4073918A1
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EP
European Patent Office
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electrolysis
voltage
converter
electrolysis device
transformer
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP20812224.2A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Peschel
Benjamin HENTSCHEL
Christian LIEBHART
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Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of EP4073918A1 publication Critical patent/EP4073918A1/de
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Definitions

  • the invention relates to a method for operating a plant for electrolysis, e.g. for the production of hydrogen or another gaseous electrolysis product, in which at least one electrolysis device is supplied with electrical energy via a converter, as well as such a plant.
  • electrolysis in which, for example, water is split into oxygen and hydrogen - that is, gaseous electrolysis products or products of the underlying redox reaction - by means of electrical energy.
  • Water electrolysis is also used here.
  • alkaline water electrolysis or AEL for "Alkaline Electrolysis”
  • proton exchange membrane electrolysis or PEM electrolysis for "Proton Exchange Membrane” electrolysis
  • the required electrical energy is obtained from, for example, an energy supply network such as the public power supply.
  • So-called island networks can also be considered if, for example, such a system is operated (directly) on a wind turbine or a wind park with several wind turbines.
  • This can lead to problems due to repercussions on the energy supply network, these repercussions generally being stronger the smaller the energy supply law.
  • the present invention therefore has the object of specifying improved options for operating a system for electrolysis.
  • a method according to the invention is used to operate a system for electrolysis to obtain at least one gaseous electrolysis product, in which at least one electrolysis device is electrically connected to a converter via a DC voltage circuit (also referred to as a DC voltage intermediate circuit).
  • the converter in turn is or will be connected to an alternating voltage circuit in order to supply the at least one electrolysis device with electrical energy for its operation.
  • the AC voltage circuit can be (directly) a power supply network, but it is typical and expedient if the AC voltage circuit is electrically connected to a transformer by means of a transformer
  • Energy supply network is connected.
  • the typically very high alternating voltage in the power supply network (at least when used on an industrial scale, a high voltage is typical) can be transformed down to a lower, required value of the alternating voltage.
  • the public power supply or a public energy supply network come into consideration as the energy supply network.
  • an island network is used as the energy supply network, that is to say a (self-contained) energy supply network such as a wind turbine or a wind park with several wind turbines.
  • the converter is necessary in order to convert the alternating voltage, as it is typical for an energy supply network, into the direct voltage necessary for the operation of the electrolysis device (s).
  • a so-called inverter or AC-DC converter can be used as the power converter.
  • such a converter can also be used to convert direct voltage into alternating voltage.
  • such a converter has semiconductor switches such as IGBTs or thyristors or also MOSFETs, which are connected accordingly, usually in a so-called bridge circuit, and are then controlled to convert the alternating voltage into a direct voltage.
  • the system can preferably be used for water electrolysis, that is to say for the production of hydrogen as a gaseous electrolysis product.
  • the types of water electrolysis already mentioned at the beginning come into consideration here.
  • the system can - additionally or alternatively - but also for carbon dioxide electrolysis (C0 electrolysis) (this serves in particular to obtain CO or carbon monoxide as a gaseous electrolysis product) and / or for co-electrolysis (this serves in particular to obtain synthesis gas as a gaseous electrolysis product), in which carbon dioxide or carbon dioxide and water are converted into various products (especially gaseous electrolysis products) such as CO, synthesis gas or also ethylene, ethanol, format. Chlor-alkali electrolysis can also be used.
  • the system can particularly preferably be used for low-temperature electrolysis and / or for medium-temperature electrolysis and / or high-temperature electrolysis, as was described in part at the beginning.
  • the EPM, AEL and AEM are more typical as low temperature electrolysis at less than 100 ° C operated, although temperatures of up to 130 ° C are also possible and sometimes even very efficient.
  • steam and not liquid water
  • the high-temperature electrolysis is usually an electrolysis, the ceramic membranes eg SOEC or the described HT-PEM, in a temperature range above 600 ° C.
  • the individual electrolysis devices are then designed accordingly.
  • the specific type of electrolysis that is carried out with the system is, however, less relevant for the present invention, as can be seen from the following explanations.
  • the present invention can be used with any type of electrolysis based on water and / or carbon dioxide Feed medium and also for chlor-alkali electrolysis (this is used in particular to obtain chlorine as a gaseous electrolysis product).
  • the electrolysis device is supplied with electrical energy via the converter, feedback or repercussions in the AC voltage circuit or the power supply network occur due to its operation or the control of the semiconductor switches present therein.
  • These feedbacks or repercussions are mainly based on the harmonic oscillations (i.e. fundamental oscillation and especially harmonics) in the alternating voltage, which arise from or during the rectification of the alternating voltage.
  • the voltage is then regulated by phase control, which in turn amplifies the (undesired) harmonic oscillations.
  • the converter is now operated by means of a vibration packet control.
  • vibration packet control - also referred to as wave packet control - -
  • phase control - a pulse is only switched in or at least close to zero crossings.
  • this type of control is also known as "Zero Crossing Control”.
  • the switching process of a semiconductor switch takes place when the oscillation of the alternating voltage that is present is at zero, or a switching process that has already been triggered is delayed until such a zero crossing occurs.
  • current and voltage transients and thus harmonics are at least largely avoided. So that is in particular too a reduction of the voltage (with regard to the mean value or effective mean value) is possible.
  • vibration packet control in particular a full wave control or a half wave control can be used.
  • a transformer is usually used to transform the AC voltage of the power supply network down to a value that is suitable for the converter. It is then preferred if the transformer is operated using a tap changer.
  • Tap changers for transformers are used to set the transformation ratio (the amplitude of the alternating voltage between the input voltage and the output voltage).
  • the winding of the transformer on its high or low voltage side usually includes a main winding and a control or step winding with several taps that are led to the tap changer.
  • the power control with parallel connection can also be implemented via the step switch.
  • On-load tap changers are divided into on-load tap changers (OLTC for "On Load Tap Changer") and diverter (NLTC for "No Load Tap Changer", or DETC ' for "De-Energized Tap Changer” or OCTC for English. "Off Circuit Tap Changer”, these terms being synonymous).
  • On-load tap-changers are used for uninterrupted switching under load and can be divided into load selectors and load switches.
  • tap changers can be installed with one or three phases. This means that a tap changer column switches either one or three phases.
  • Three single-phase tap changers require more space than a three-phase tap changer.
  • the use of three-phase step switches usually requires the installation location in the star point of a star connection.
  • Single-phase switches are usually required for larger currents, higher switching capacity or use in a delta connection.
  • tap changers perform the same tasks as on-load tap-changers, but can only be adjusted without load or voltage.
  • Change-over devices are usually designed with a few steps and are often only operated by hand, although automated operation is of course also possible. However, they are largely maintenance-free. Due to the avoidance of feedback from the used
  • Vibration packet control also does not have any such feedback effects in the transformer and a particularly efficient and trouble-free switching process is made possible by means of the tap changer.
  • the available, adjustable voltage range can be increased without (negative) effects on DC ripple.
  • the aforementioned full-wave control when providing the DC voltage by means of the converter basically allows a voltage range of 0% to 100% of the input voltage as output voltage, but if no negative effects on DC ripple are to be allowed, a voltage range of 70% to 100%, preferably 80% to 100%, is expedient (thus, in particular, a direct current ripple during electrolysis can be kept low).
  • a step switch basically allows voltage ranges without upper or lower limits, but a voltage range of 90% to 110% is economically preferred. These voltage ranges or operating ranges are sufficient to compensate for aging effects in the electrolysis or an electrolysis device and to keep the recovery or production rate of, for example, hydrogen constant over the service life (and thus also its previous operating time) of the electrolysis device.
  • the electrolysis device can always be operated flexibly.
  • the background here is that the voltage required to operate an electrolysis device at a certain production rate increases over time, so that the voltage provided must be increased over time in order to keep the production rate constant (as much as possible). In addition, it enables a certain flexibility of the operation, i.e. the production rate can be increased or reduced. In addition, it is alternatively or additionally preferred to completely switch off or on individual stacks of an electrolysis device and / or individual electrolysis devices (in particular in the case of several electrolysis devices) as required. Switching individual stacks on and off increases the work area further or enables the load range to be adjusted.
  • the invention also relates to a system for electrolysis to obtain at least one gaseous electrolysis product, with at least one electrolysis device and a converter, the at least one electrolysis device being electrically connected to the converter via a DC voltage circuit, the converter being electrically connectable or connected to an AC voltage circuit to get the at least one
  • Figure 1 shows schematically a system according to the invention in a preferred embodiment.
  • FIG. 2 shows schematically the mode of operation of a vibration packet control as used in the context of the present invention.
  • Figure 3 shows schematically voltage curves for the operation of an electrolysis device, which can be part of a system according to the invention.
  • a system 100 according to the invention is shown schematically in a preferred embodiment.
  • the system 100 is used for electrolysis and has a transformer 110, an AC voltage circuit 120, a converter or
  • Inverter 130 a DC voltage circuit 140 and, for example, two electrolysis devices 150 and 160. It goes without saying that only one electrolysis device can also be provided, or that even more electrolysis devices can be provided.
  • the transformer 110 has a tap changer 110, for example an on-load tap changer, and is electrically connected on the input side (or corresponding connections) to a power supply network 200 and on the output side (or corresponding other connections) electrically connected to the AC voltage circuit 120.
  • the AC voltage provided by the power supply network 200 can thus be stepped down by means of the transformer 110, it being possible to change the transformation ratio by using the tap changer 111.
  • the AC voltage circuit 120 is then electrically connected to the converter 130 or corresponding connections or input connections of the converter 130.
  • the converter 130 is in turn electrically connected to the DC voltage circuit 140 via corresponding connections or output connections.
  • the power converter 130 also has a control unit 131, by means of which semiconductor switches provided in the power converter can be appropriately controlled, ie opened and closed, in order to rectify the alternating voltage.
  • the electrolysis devices 150 and 160 are in turn electrically connected to the DC voltage circuit 140.
  • the electrolysis device 150 is designed for water electrolysis, in which water a is supplied and split into several stacks (only indicated) and hydrogen b and oxygen c as gaseous
  • Electrolysis products are received and removed and, if necessary, stored. It is also conceivable to (further) purify the gaseous electrolysis product, e.g. by drying and / or removing other gases.
  • the electrolysis device 160 can be constructed in the same way or differently. As already mentioned at the outset, the specific type of electrolysis device is less relevant for the present invention; rather, it depends on the operation of the converter 130 and, if applicable, the transformer 110.
  • the power converter 130 or the semiconductor switches contained therein are controlled, in particular by means of the control unit 131, in such a way that the semiconductor switches always switch at or near a zero crossing of the relevant, applied oscillation of the AC voltage.
  • the converter 130 is therefore operated by means of a vibration packet control.
  • the exact switching time does not have to be exactly at the zero crossing, but can be, for example, up to 5% or up to 10% (based on a period of the oscillation) before or after.
  • a control of the converter with the vibration packet control and thus its mode of operation is shown schematically.
  • a voltage V is plotted over a time t and oscillations or waves of the alternating voltage as they are present at the input of the converter are shown.
  • t 0 shows an oscillation packet duration of three full or whole oscillations here as an example
  • t t 0 switched so that no undesired harmonics can occur. In addition, only whole oscillations are switched here.
  • FIG. 3 voltage curves for the operation of an electrolysis device, which can be part of a system according to the invention and as shown by way of example in FIG. 1, are shown schematically and purely by way of example or generically.
  • a voltage V is plotted against a current density I (instead this can also be a density of hydrogen).
  • the curve V1 represents the relationship between the necessary voltage V and the current density I achieved therewith at the beginning of the life of the electrolysis device, while the curve V2 represents the corresponding one

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Anlage (100) zur Elektrolyse zur Gewinnung wenigstens eines gasförmigen Elektrolyseprodukts, bei der wenigstens eine Elektrolyseinrichtung (150, 160) elektrisch über einen Gleichspannungskreis (140) mit einem Stromrichter (130) verbunden ist, wobei der Stromrichter (130) mit einem Wechselspannungskreis (120) verbunden wird, um die wenigstens eine Elektrolyseeinrichtung (150, 160) mit elektrischer Energie zu deren Betrieb zu versorgen, wobei der Stromrichter (130) mittels einer Schwingungspaketsteuerung betrieben wird, sowie eine solche Anlage (100).

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betreiben einer Anlage zur Elektrolyse und Anlage zur Elektrolyse
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Anlage zur Elektrolyse z.B. zur Gewinnung von Wasserstoff oder eines anderen gasförmigen Elektrolyseprodukts, bei der wenigstens eine Elektrolyseeinrichtung über einen Stromrichter mit elektrischer Energie versorgt wird, sowie eine solche Anlage.
Stand der Technik Zur Gewinnung von Wasserstoff kann die sog. Elektrolyse eingesetzt werden, bei welcher z.B. Wasser durch elektrische Energie in Sauerstoff und Wasserstoff - also gasförmige Elektrolyseprodukte bzw. Produkte der zugrundeliegenden Redoxreaktion - aufgespaltet wird. Hierbei wird auch von der Wasser-Elektrolyse gesprochen. Hier kommen dann wiederum auch die sog. alkalische Wasser-Elektrolyse (bzw. AEL für "Alkaline Electrolysis") oder die sog. Protononaustauschmembran-Elektrolyse (bzw. PEM-Elektrolyse für "Proton Exchange Membrane"-Elektrolyse) in Betracht. Die Grundlagen hierzu sind an sich bekannt, z.B. aus " Bessarabov et al: PEM electrolysis for Hydrogen production. CRC Press." Daneben gibt es auch die sog. SOEC- ("Solid Oxide Electrolysis Cell") und die AEM- ("Anion Exchange Membrane") Elektrolyse, sowie die Proton-leitende Hochtemperatur-Elektrolyse, sog PCEs (Proton Ceramic Electrolysers) bei z.B. ca. 400°C bis 700°C, siehe z.B. Völlestad et al „Mixed proton and electron conducting double perovskite anodes for stable and efficient tubulär proton ceramic electrolysers“ in Nature Materials, 2019. Insbesondere diejenigen Elektrolyse-Technologien, die bei niedrigen Temperaturen erfolgen, also z.B. die PEM-, AEL- und AEM-Elektrolyse, eignen sich aufgrund der Möglichkeiten eines flexiblen Betriebs zur Unterstützung des Übergangs der Energiegewinnung hin zu erneuerbaren Energien. Hierzu ist ein Betrieb einer entsprechenden Anlage zur Elektrolyse zweckmäßig, bei dem die benötigte elektrische Energie aus z.B. einem Energieversorgungsnetz wie der öffentlichen Stromversorgung, bezogen wird. Ebenso kommen aber sog. Inselnetze in Betracht, wenn z.B. eine solche Anlage (direkt) an einer Windkraftanlage oder einem Windpark mit mehreren Windkraftanlagen betrieben wird. Hierbei kann es jedoch aufgrund von Rückwirkungen auf das Energieversorgungsnetz zu Problemen kommen, wobei diese Rückwirkungen in der Regel umso stärker sind, je kleiner das Energieversorgungssetz ist. Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, verbesserte Möglichkeiten zum Betreiben einer Anlage zur Elektrolyse anzugeben.
Offenbarung der Erfindung Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben einer Anlage zur Elektrolyse sowie eine solche Anlage mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung. Vorteile der Erfindung
Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Betreiben einer Anlage zur Elektrolyse zur Gewinnung wenigstens eines gasförmigen Elektrolyseprodukts, bei der wenigstens eine Elektrolyseeinrichtung elektrisch über einen Gleichspannungskreis (auch als Gleichspannungszwischenkreis bezeichnet) mit einem Stromrichter verbunden ist. Der Stromrichter wiederum ist bzw. wird mit einem Wechselspannungskreis verbunden, um die wenigstens eine Elektrolyseeinrichtung mit elektrischer Energie zu deren Betrieb zu versorgen. Bei dem Wechselspannungskreis kann es sich (direkt) um ein Energieversorgungsnetz handeln, typisch und zweckmäßig ist es jedoch, wenn der Wechselspannungskreis mittels eines Transformators elektrisch mit einem
Energieversorgungsnetz verbunden wird. Damit kann die typischerweise sehr hohe Wechselspannung im Energieversorgungsnetz (zumindest bei Verwendung im industriellen Maßstab ist eine hohe Spannung typisch) auf einen niedrigeren, benötigen Wert der Wechselspannung herunter transformiert werden.
Als Energieversorgungsnetz kommt dabei die öffentliche Stromversorgung bzw. ein öffentliches Energieversorgungsetz in Betracht. Ebenso ist es aber bevorzugt, wenn als Energieversorgungsnetz ein Inselnetz verwendet wird, also ein (in sich) abgeschlossenes Energieversorgungsnetz wie z.B. eine Windkraftanlage oder ein Windpark mit meheren Windkraftanlagen. Der Stromrichter ist nötig, um die Wechselspannung, wie sie für ein Energieversorgungsnetz typisch ist, in die für den Betrieb der Elektrolyseeinrichtung(en) nötige Gleichspannung zu wandeln. In diesem Sinne kann als Stromrichter ein sog. Inverter bzw. AC-DC-Konverter verwendet werden. An dieser Stelle sei jedoch angemerkt, dass grundsätzlich mit einem solchen Stromrichter auch die Wandlung von Gleichspannung in Wechselspannung möglich sein kann. Typischerweise weist ein solcher Stromrichter Halbleiterschalter wie IGBTs oder Thyristoren oder auch MOSFETs auf, die entsprechend verschaltet sind, meist in einer sog. Brückenschaltung, und dann zum Wandeln der Wechselspannung in eine Gleichspannung angesteuert werden.
Wenngleich die Anlage im Rahmen der vorliegenden Anmeldung vorwiegend in Bezug auf (nur) eine Elektrolyseeinrichtung beschrieben wird, so kann eine solche Anlage auch mehrere solcher Elektrolyseeinrichtungen aufweisen, die über den oder einen Gleichspannungskreis elektrisch mit dem Stromrichter verbunden sind. Denkbar ist auch, dass zudem oder alternativ weitere Elektrolyseeinrichtungen elektrisch über einen anderen Gleichspannungskreis und einen anderen (gleichartigen) Stromrichter und darüber dann mit dem Transformator verbunden sind bzw. werden.
Weiterhin kann die Anlage bevorzugt zur Wasser-Elektrolyse, also zur Gewinnung von Wasserstoff als ein gasförmiges Elektrolyseprodukt, verwendet werden. Hier kommen insbesondere die eingangs schon genannten Arten der Wasser-Elektrolyse in Betracht. Ebenso kann die Anlage - zusätzlich oder alternativ - aber auch zur Kohlenstoffdioxid- Elektrolyse (C0 -Elektrolyse) (diese dient insbesondere zur Gewinnung von CO bzw. Kohlenstoffmonoxid als gasförmiges Elektrolyseprodukt) und/oder zur Co-Elektrolyse (diese dient insbesondere zur Gewinnung von Synthesegas als gasförmiges Elektrolyseprodukt) verwendet werden, bei der Kohlenstoffdioxid, bzw. Kohlenstoffdioxid und Wasser in verschiedene Produkte (insbesondere gasförmige Elektrolyseprodukte) wie z.B. CO, Synthesegas oder auch Ethylen, Ethanol, Format umgewandelt werden. Ebenso kommt die Chlor-Alkali-Elektrolyse in Betracht. Außerdem kann die Anlage besonders bevorzugt zur Niedertemperatur-Elektrolyse und/oder zur Mitteltemperatur-Elektrolyse und/oder Hochtemperatur-Elektrolyse verwendet werden, wie sie eingangs teils beschrieben wurden. Z.B. werden die EPM, AEL und AEM als Niedertemperatur-Elektrolyse typischer bei weniger als 100°C betrieben, wenngleich Temperaturen bis 130°C auch möglich und mitunter sogar sehr effizient sind. Bei einer Mitteltemperatur-Elektrolyse wird in der Regel Dampf (und kein flüssiges Wasser) eingesetzt, wobei z.B. Temperaturen zwischen 150°C und 400°C in Betracht kommen. Bei der Hochtemperatur-Elektrolyse handelt es sich in der Regel um eine Elektrolyse, die keramische Membranen z.B. SOEC oder die beschriebene HT- PEM, in einem Temperaturbereich über 600°C. Hierzu sind die einzelnen Elektrolyseeinrichtungen dann entsprechend ausgebildet. Die konkrete Art der Elektrolyse, die mit der Anlage durchgeführt wird, ist für die vorliegende Erfindung jedoch weniger relevant, wie sich aus den nachfolgenden Erläuterungen noch ergibt, insbesondere kann die vorliegende Erfindung mit jeder Art von Elektrolyse auf Basis von Wasser und/oder Kohlenstoffdioxid als Einsatzmedium und auch zur Chlor-Alkali- Elektrolyse (diese dient insbesondere zur Gewinnung von Chlor als gasförmiges Elektrolyseprodukt) verwendet werden. Bei der Versorgung der Elektrolyseeinrichtung mit elektrischer Energie über den Stromrichter treten, wie sich gezeigt hat, jedoch aufgrund dessen Betriebs bzw. der Ansteuerung der darin vorhandenen Halbleiterschalter Rückkopplungen bzw. Rückwirkungen in den Wechselspannungskreis bzw. das Energieversorgungsnetz auf. Diese Rückkopplungen bzw. Rückwirkungen beruhen vorwiegend auf den harmonischen Schwingungen (also Grundschwingung und insbesondere Oberschwingungen) in der Wechselspannung, die durch die bzw. bei der Gleichrichtung der Wechselspannung entstehen. Typischerweise erfolgt dann die Spannungsregelung durch eine Phasenanschnittsteuerung, diese wiederum verstärkt jedoch die (unerwünschten) harmonischen Schwingungen.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird nun der Stromrichter mittels einer Schwingungspaketsteuerung betrieben. Bei der Schwingungspaketsteuerung - auch als Wellenpaketsteuerung bezeichnet - wird - im Gegensatz zur Phasenanschnittsteuerung - ein Puls nur in oder zumindest nahe bei Nulldurchgängen geschaltet. Aus diesem Grund wird diese Art der Steuerung auch als "Zero Crossing Control" bezeichnet. Der Schaltvorgang eines Halbleiterschalters erfolgt also dann, wenn die anliegende Schwingung der Wechselspannung bei Null liegt, bzw. ein schon vorher ausgelöster Schaltvorgang wird solange verzögert, bis ein solcher Nulldurchgang erfolgt. Dadurch werden Strom- und Spannungs-Transienten und damit Oberschwingungen zumindest weitgehend vermieden. Damit ist insbesondere auch eine Reduzierung der Spannung (hinsichtlich des Mittelwerts bzw. effektiven Mittelwerts) möglich.
Bei dieser Schwingungspaketsteuerung kann insbesondere eine Ganzwellensteuerung ("Full Wave") oder aber eine Halbwellensteuerung ("Half Wave") verwendet werden.
Bei der Ganzwellensteuerung werden immer ganze Perioden der Frequenz der Wechselspannung ein- oder ausgeschaltet. Dadurch treten keine Gleichanteile in der Stromaufnahme auf. Zur Erhöhung der Kontinuität der effektiven Spannung können auch Halbwellen geschaltet werden. Wenn Gleichstromanteile vermieden werden sollen, sollte dafür gesorgt werden, dass negative und positive Halbwellen gleich häufig auftreten.
Durch die Verwendung dieser Schwingungspaketsteuerung und die damit einhergehende Vermeidung oder zumindest Reduzierung von Rückkopplungen bzw. Rückwirkungen in das Energieversorgungsnetz können bisher nötige Filter (z.B.
Tiefpassfilter, die die Frequenzen dieser Oberschwingungen herausfiltern) vermieden werden. Die Effizienz des Betriebs der Anlage wird damit erhöht. Zudem können aufgrund der nunmehr geringeren Rückwirkungen in das Energieversorgungsnetz auch mehr und/oder größere Anlagen zur Elektrolyse über ein Energieversorgungsnetz betrieben werden, da keine bzw. kaum Rückwirkungen auftreten, die anderswo
Störungen verursachen könnten. Damit kann der eingangs schon erwähnte Übergang der Energiegewinnung hin zu erneuerbaren Energien noch besser unterstützt werden.
Wie schon erwähnt, wird meist ein Transformator verwendet, um die Wechselspannung des Energieversorgungsnetzes herunter zu transformieren auf einen Wert, der für den Stromrichter geeignet ist. Hierbei ist es dann bevorzugt, wenn der Transformator unter Verwendung eines Stufenschalters betrieben wird.
Stufenschalter (engl. "Tap Changer") für Transformatoren, insbesondere Leistungstransformatoren, dienen zur Einstellung des Übersetzungsverhältnisses (der Amplitude der Wechselspannung zwischen Eingangsspannung und Ausgangsspannung). Die Wicklung des Transformators auf seiner Ober- oder Unterspannungsseite umfasst hierzu meist eine Stammwicklung und eine Regel- oder Stufenwicklung mit mehreren Anzapfungen, die an den Stufenschalter geführt werden. Auch die Leistungsregelung bei Parallelschaltung kann über den Stufenschalter realisiert werden.
Stufenschalter teilen sich in Laststufenschalter (OLTC für engl. "On Load Tap Changer") und Umsteller (NLTC für engl. "No Load Tap Changer", oder auch DETC 'für engl. "De-Energized Tap Changer" oder OCTC für engl. "Off Circuit Tap Changer", wobei diese Begriffe gleichbedeutend sind).
Laststufenschalter dienen zur unterbrechungsfreien Umschaltung unter Last und können in Lastwähler und Lastschalter unterteilt werden. Je nach zu bewältigenden Betriebsströmen und Einbauort in der Transformatorschaltung können Stufenschalter ein- oder dreiphasig verbaut werden. Das heißt, eine Stufenschaltersäule schaltet entweder eine oder drei Phasen. Drei einphasige Stufenschalter benötigen mehr Platz als ein dreiphasiger Stufenschalter. Der Einsatz dreiphasiger Stufenschalter setzt zumeist den Einbauort im Sternpunkt einer Sternschaltung voraus. Für größere Ströme, höhere Schaltleistung oder den Einsatz in einer Dreieckschaltung werden meist einphasige Schalter benötigt.
Umsteller erfüllen prinzipiell dieselben Aufgaben wie Laststufenschalter, können jedoch nur last- oder spannungsfrei verstellt werden. Umsteller werden üblicherweise mit wenigen Stufen ausgeführt und häufig nur von Hand betätigt, wenngleich eine automatisierte Betätigung natürlich ebenso möglich ist. Sie sind jedoch weitgehend wartungsfrei. Aufgrund der Vermeidung von Rückkopplungen durch die verwendete
Schwingungspaketsteuerung treten auch in dem Transformator keine solchen Rückwirkungen auf und es wird ein besonders effizienter und störungsfreier Schaltvorgang mittels des Stufenschalters ermöglicht. Der zur Verfügung stehende, stellbare Spannungsbereich kann ohne (negative) Auswirkungen auf Gleichstromrippel erhöht werden.
Die erwähnte Ganzwellensteuerung bei der Bereitstellung der Gleichspannung mittels des Stromrichters erlaubt grundsätzlich einen Spannungsbereich von 0% bis 100% der Eingangsspannung als Ausgangsspannung, wenn keine negativen Auswirkungen auf Gleichstromrippel erlaubt werden sollen ist jedoch ein Spannungsbereich von 70% bis 100%, bevorzugt 80% bis 100%, zweckmäßig (damit kann also insbesondere ein Gleichstrom-Rippel bei der Elektrolyse gering gehalten werden). Ein Stufenschalter erlaubt grundsätzlich Spannungsbereiche ohne Grenzen nach unten oder oben, wirtschaftlich bevorzugt ist jedoch einen Spannungsbereich von 90% bis 110%. Diese Spannungsbereiche bzw. Betriebsbereiche sind ausreichend, um Alterungseffekte bei der Elektrolyse bzw. einer Elektrolyseeinrichtung auszugleichen und die Gewinnungs- bzw. Produktionsrate von z.B. Wasserstoff über die Lebensdauer (und damit auch deren bisheriger Betriebsdauer) der Elektrolyseeinrichtung konstant zu halten. Inbesondere kann die Elektrolyseeinrichtung aber auch immer flexibel betrieben werden. Insofern ist es also inbesondere zweckmäßig, eine Nennkapazität (entspricht letztlich der Gewinnungsrate) der Elektrolyseeinrichtung für das gasförmige Elektrolyseprodukt auch bei Degradration über die Lebensdauer zu erreichen.
Hintergrund ist hier, dass die nötige Spannung zum Betrieb einer Elektrolyseeinrichtung mit einer bestimmten Produktionsrate mit der Zeit ansteigt, sodass die bereitgestellte Spannung mit der Zeit erhöht werden muss, um die Produktionsrate (möglichst) konstant zu halten. Außerdem wird damit eine gewisse Flexibilität des Betriebs ermöglicht, d.h. die Produktionsrate kann erhöht oder reduziert werden. Außerdem ist es alternativ oder zusätzlich bevorzugt, einzelne Stacks einer Elektrolyseeinrichtung und/oder einzelner Elektrolyseeinrichtungen (insbesondere bei mehreren Elektrolyseeinrichtungen) je nach Bedarf vollständig aus- oder einzuschalten. Das Ein- bzw. Ausschalten einzelner Stacks erhöht den Arbeitsbereich weiter bzw. ermöglicht eine Anpassung des Lastbereichs. Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Anlage zur Elektrolyse zur Gewinnung wenigstens eines gasförmigen Elektrolyseprodukts, mit wenigstens einer Elektrolyseeinrichtung und einem Stromrichter, wobei die wenigstens eine Elektrolyseeinrichtung elektrisch über einen Gleichspannungskreis mit dem Stromrichter verbunden ist, wobei der Stromrichter elektrisch mit einem Wechselspannungskreis verbindbar oder verbunden ist, um die wenigstens eine
Elektrolyseeinrichtung mit elektrischer Energie zu deren Betrieb zu versorgen, wobei die Anlage dazu eingerichtet ist, den Stromrichter mittels einer Schwingungspaketsteuerung zu betreiben. Hinsichtlich der Vorteile sowie weiterer bevorzugten Ausgestaltungen der Anlage sei zur Vermeidung von Wiederholungen auf die Ausführungen zum Verfahren verwiesen, die hier entsprechend gelten. Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert, welche eine Anlage gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Figur 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Anlage in einer bevorzugten Ausführungsform.
Figur 2 zeigt schematisch die Funktionsweise einer Schwingungspaketsteuerung, wie sie im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
Figur 3 zeigt schematisch Spannungsverlaufe für den Betrieb einer Elektrolyseeinrichtung, die Teil einer erfindungsgemäßen Anlage sein kann.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
In Figur 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Anlage 100 in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Die Anlage 100 dient zur Elektrolyse und weist einen Transformator 110, einen Wechselspannungskreis 120, einen Stromrichter bzw.
Inverter 130, einen Gleichspannungskreis 140 sowie wie beispielhaft zwei Elektrolyseeinrichtungen 150 und 160 auf. Es versteht sich, dass auch nur eine Elektrolyseeinrichtung vorgesehen sein kann, oder aber, dass noch mehr Elektrolyseeinrichtungen vorgesehen sein können.
Der Transformator 110 weist einen Stufenschalter 110, z.B. einen Laststufenschalter, auf, und ist eingangsseitig (bzw. entsprechenden Anschlüssen) elektrisch mit einem Energieversorgungsnetz 200 und ausgangsseitig (bzw. entsprechenden anderen Anschlüssen) elektrisch mit dem Wechselspannungskreis 120 verbunden. Mittels des Transformators 110 kann somit die von dem Energieversorgungsnetz 200 bereitgestellte Wechselspannung heruntertransformiert werden, wobei durch Verwendung des Stufenschalters 111 das T ransformationsverhältnis verändert werden kann. Der Wechselspannungskreis 120 ist dann elektrisch mit dem Stromrichter 130 bzw. entsprechenden Anschlüssen bzw. Eingangsanschlüssen des Stromrichters 130 verbunden. Der Stromrichter 130 wiederum ist über entsprechende Anschlüsse bzw. Ausgangsanschlüsse elektrisch mit dem Gleichspannungskreis 140 verbunden. Der Stromrichter 130 weist zudem einen Ansteuereinheit 131 auf, mittels welcher in dem Stromrichter vorgesehenen Halbleiterschalter entsprechend angesteuert, d.h. geöffnet und geschlossen, werden können, um die Wechselspannung gleichzurichten.
An dem Gleichspannungskreis 140 wiederum sind die Elektrolyseeinrichtungen 150 und 160 elektrisch angebunden.
Auf diese Weise kann mittels des Energieversorgungsnetzes 200 elektrische Energie zum Betreiben der Anlage 100 bzw. der davon umfassten Elektrolyseeinrichtungen 150, 160 bereitgestellt werden. Beispielhaft ist die Elektrolyseeinrichtung 150 zur Wasser-Elektrolyse ausgebildet, bei der Wasser a zugeführt und in mehreren Stacks (nur angedeutet) gespaltet und Wasserstoff b und Sauerstoff c als gasförmige
Elektrolyseprodukte erhalten und abgeführt und ggf. gespeichert werden. Ebenso ist denkbar, das gasförmige Elektrolyseprodukt (weiter) aufzureinigen, z.B. durch Trockung und/oder Entferntung anderer Gase. Die Elektrolyseeinrichtung 160 kann gleichartig aufgebaut sein oder auch anders. Wie eingangs schon erwähnt, ist die konkrete Art der Elektrolyseeinrichtung für die vorliegende Erfindung weniger relevant, vielmehr kommt es auf den Betrieb des Stromrichters 130 und ggf. des Transformators 110 an.
Wie erwähnt, werden zum Betrieb der Anlage 100 der Stromrichter 130 bzw. die darin enthaltenen Halbleiterschalter, insbesondere mittels der Ansteuereinheit 131 , derart angesteuert, dass die Halbleiterschalter immer bei oder nahe eines Nulldurchgangs der betreffenden, anliegenden Schwingung der Wechselspannung schalten. Der Stromrichter 130 wird also mittels einer Schwingungspaketsteuerung betrieben. Der genaue Schaltzeitpunkt muss hierbei nicht exakt beim Nulldurchgang liegen, sondern kann z.B. bis zu 5% oder bis zu 10% (bezogen auf eine Periodendauer der Schwingung) vorher oder nachher liegen.
Auf diese Weise werden Rückkopplungen in den Wechselspannungskreis 120 und damit in den Transformator 110 sowie das Energieversorgungsnetz 200 verhindert. Ein Filter, zur Reduzierung solcher unerwünschter Oberschwingungen bzw. Rückkopplungen, wie er bisher nötig war und gestrichelt in der Figur 1 gezeigt ist, vgl. Bezugszeichen 115, ist damit nicht mehr nötig.
In Figur 2 ist schematisch eine Ansteuerung des Stromrichters mit der Schwingungspaketsteuerung und damit deren Funktionsweise, wie sie im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet wird, dargestellt. Hierzu ist eine Spannung V über einer Zeit t aufgetragen und es sind Schwingungen bzw. Wellen der Wechselspannung, wie sie am Eingang des Stromrichters anliegen, dargestellt. Mit t0 ist hierzu eine Schwingungspaketdauer von hier beispielhaft drei vollen bzw. ganzen Schwingungen gezeigt, mit tE eine Einschaltdauer von hier beispielhaft zwei vollen bzw. ganzen Schwingungen. Es wird hiermit immer nur bei Nulldurchgängen, also z.B. bei t=0, t=tE oder. t=t0 geschaltet, sodass keine unerwünschten Oberschwingungen auftreten können. Außerdem wird hier nur bei ganzen Schwingungen geschaltet.
In Figur 3 sind schematisch und rein beispielhaft bzw. generisch Spannungsverlaufe für den Betrieb einer Elektrolyseeinrichtung, die Teil einer erfindungsgemäßen Anlage sein kann und wie sie beispielhaft in Figur 1 gezeigt ist, dargestellt. Hierzu ist eine Spannung V über einer Stromdichte I (stattdessen kann dies auch eine Dichte an Wasserstoff sein) aufgetragen.
Die Kurve V1 stellt dabei den Zusammenhang zwischen der nötigen Spannung V und der damit erzielten Stromdichte I am Beginn der Lebensdauer der Elektrolyseeinrichtung dar, die Kurve V2 hingegen den entsprechenden
Zusammenhang am Ende von deren Lebensdauer. Dabei ist zu sehen, dass hier mit zunehmender Lebensdauer eine immer höhere Spannung nötig ist, um dieselbe Stromdichte zu erreichen, der Unterschied zwischen Beginn und Ende der Lebensdauer ist hier mit AV gekennzeichnet.
Absolutwerte der Spannungen variieren in der Praxis meist je nach Elektrolysetechnologie und Anzahl der Zellen im Stack einer Elektrolyseeinrichtung. Insofern sind hier, wie erwähnt, nur beispielhafte bzw. generische Kurven gezeigt. Eine Steigung variiert ebenso je nach Elektrolysetechnologie, insofern sind diese hier ebenfalls nur beispielhaft bzw. generisch dargestellt. Durch die vorstehend beschriebene Anlage und den vorgeschlagenen Betrieb einer solchen Anlage ist es jedoch möglich, die an der Elektrolyseeinrichtung anliegende Spannung zu verändern und so z.B. zu Beginn der Lebensdauer eine niedrigere Spannung zu wählen, die mit der Zeit immer weiter erhöht wird, um die Stromrichte und damit auch die Produktionsrate (möglichst) konstant zu halten.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Anlage (100) zur Elektrolyse zur Gewinnung wenigstens eines gasförmigen Elektrolyseprodukts, bei der wenigstens eine Elektrolyseinrichtung (150, 160) elektrisch über einen Gleichspannungskreis (140) mit einem Stromrichter (130) verbunden ist, wobei der Stromrichter (130) mit einem Wechselspannungskreis (120) verbunden wird, um die wenigstens eine Elektrolyseeinrichtung (150, 160) mit elektrischer Energie zu deren Betrieb zu versorgen, wobei der Stromrichter (130) mittels einer Schwingungspaketsteuerung betrieben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei bei der Schwingungspaketsteuerung eine Ganzwellensteuerung oder eine Halbwellensteuerung verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei bei der Schwingungspaketsteuerung eine Ganzwellensteuerung verwendet wird, und wobei als Ausgangsspannung ein Spannungsbereich von 70% bis 100% der Eingangsspannung verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Wechselspannungskreis (120) mittels eines Transformators (110) elektrisch mit einem Energieversorgungsnetz (200) verbunden wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der T ransformator (110) unter Verwendung eines Stufenschalters (111) betrieben wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der T ransformator (110) unter Verwendung eines Laststufenschalters oder eines Umstellers als Stufenschalter (111) betrieben wird.
7. Verfahren nach Anspruch 4 oder 6, wobei bei dem Transformator mit dem Stufenschalter ein Spannungsbereich von 90% bis 110% verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei dem als Energieversorgungsnetz (200) ein öffentliches Energieversorgungsetz oder ein Inselnetz verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine für die wenigstens eine Elektrolyseeinrichtung bereitgestellte Spannung in Abhängigkeit von einer bisherigen Betriebsdauer angepasst, insbesondere erhöht wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die für die wenigstens eine Elektrolyseeinrichtung bereitgestellte Spannung in Abhängigkeit von einer bisherigen Betriebsdauer angepasst wird, um eine Nennkapazität (entspricht letztlich der Gewinnungsrate) der Elektrolyseeinrichtung für das gasförmige Elektrolyseprodukt auch bei Degradration über die Lebensdauer zu erreichen.
11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eines oder mehrere gasförmige Elektrolyseprodukte abgeführt und insbesondere gespeichert und/oder aufgereinigt werden.
12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei einer oder mehrere Stacks der wenigstens einen Elektrolyseeinrichtung je nach Bedarf ein- und/oder ausgeschaltet werden.
13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Anlage (100) zur Wasser-Elektrolyse zur Gewinnung von Wasserstoff und/oder zur Kohlenstoffdioxid-Elektrolyse zur Gewinnung von Kohlenstoffmonoxid und/oder zur Co-Elektrolyse zur Gewinnung von Synthesegas und/oder zur Chlor-AI kali- Elektrolyse zur Gewinnung von Chlor verwendet wird.
14. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Anlage (100) zur Niedertemperatur-Elektrolyse und/oder zur Mitteltemperatur-Elektrolyse und/oder Hochtemperatur-Elektrolyse verwendet wird.
15. Anlage (100) zur Elektrolyse zur Gewinnung wenigstens eines gasförmigen Elektrolyseprodukts, mit wenigstens einer Elektrolyseeinrichtung (150, 160) und einem Stromrichter (130), wobei die wenigstens eine Elektrolyseeinrichtung (150, 160) elektrisch über einen Gleichspannungskreis (140) mit dem Stromrichter (130) verbunden ist, wobei der Stromrichter (130) elektrisch mit einem Wechselspannungskreis (120) verbindbar oder verbunden ist, um die wenigstens eine Elektrolyseeinrichtung (150, 160) mit elektrischer Energie zu deren Betrieb zu versorgen, wobei die Anlage (100) dazu eingerichtet ist, den Stromrichter (130) mittels einer Schwingungspaketsteuerung zu betreiben.
16. Anlage (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14 eingerichtet ist.
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