EP4170065A1 - Wasserstoffnetzsystem - Google Patents

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Publication number
EP4170065A1
EP4170065A1 EP22192412.9A EP22192412A EP4170065A1 EP 4170065 A1 EP4170065 A1 EP 4170065A1 EP 22192412 A EP22192412 A EP 22192412A EP 4170065 A1 EP4170065 A1 EP 4170065A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
hydrogen
pressure line
network system
utility unit
renewable energy
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22192412.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Stollenwerk
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Westnetz GmbH
Original Assignee
Westnetz GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Westnetz GmbH filed Critical Westnetz GmbH
Publication of EP4170065A1 publication Critical patent/EP4170065A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
    • C25B15/081—Supplying products to non-electrochemical reactors that are combined with the electrochemical cell, e.g. Sabatier reactor
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/60—Constructional parts of cells

Definitions

  • the invention relates to a hydrogen network system for generating hydrogen from electrical energy from at least one renewable energy source and for using the hydrogen for energy, and an associated method.
  • microgrids are known from the prior art, which are a decentralized group of power sources and consumers that are normally connected to the conventional interconnected grid (macro grid) and synchronized with it, but are able to separate from to disconnect from the grid and to work autonomously in an island mode if the technical or economic conditions require it. In this way, microgrids improve the security of supply within the microgrid cell and can provide emergency power, while being able to switch between isolated and interconnected operation.
  • micro-grids can also be powered by renewable energy or electricity sources, so that the micro-grid is completely based on renewable energy.
  • renewable energy is limited to hours of sunshine and wind, for example, and storing electricity is expensive, which limits the economic viability of such microgrids.
  • the object of the invention is to provide a network system which at least partially eliminates the disadvantages known from the prior art.
  • a hydrogen-based network is thus proposed in a system which has an electrolyser for producing the hydrogen, at least one high-pressure line for distributing the produced or generated hydrogen and at least one utility unit for energetic use or utilization of the hydrogen produced.
  • hydrogen has the advantage that it can be stored more economically than electricity, even if its storage entails challenges.
  • the provision of the hydrogen by means of the at least one high-pressure line offers a particularly efficient use for numerous utility units, in particular those relating to heat and transport applications.
  • the invention thus provides a hydrogen network system that can be used locally, which is based on a hydrogen network with the at least one high-pressure line and one or more low-pressure lines, which lead to a utility unit or several utility units, and corresponding devices.
  • the devices are the one or more gas pressure regulators in front of the one or more utility units, the electrolyzer and the at least one utility unit.
  • the hydrogen network system can of course include other devices.
  • the at least one or more renewable energy sources or renewable energy generation systems which can be connected to the corresponding energy connection of the electrolyzer.
  • Possible renewable energy generation systems are, for example, photovoltaic systems or wind turbines.
  • the hydrogen network system can also have a gas pressure regulation and measurement system (GDRM) for the hydrogen, which can be connected to the electrolyser.
  • GDRM gas pressure regulation and measurement system
  • the at least one high-pressure line is designed for a higher gas pressure than the low-pressure line of the at least one utility unit.
  • the lines are formed in particular by tubes.
  • the gas pressure of the hydrogen coming from the at least one high-pressure line can be regulated down by the respective gas pressure regulator between the at least one high-pressure line and each low-pressure line of a utility unit.
  • the gas pressure in the low-pressure line can also be adapted to the requirements of the apartment.
  • the at least one utility unit is designed to use the hydrogen for energy.
  • energetic use is understood to mean utilization or consumption, forwarding or further processing, for example conversion.
  • a plurality of useful units in particular different types, can be provided in the hydrogen network system. These can each share a low-pressure line and a gas pressure regulator or can each be connected to the at least one high-pressure line by means of a separate low-pressure line and separate gas pressure regulator.
  • the at least one high-pressure line to be in the form of a hydrogen accumulator. Accordingly, the at least one high-pressure line then fulfills the function of conducting the hydrogen along the high-pressure line and storing the hydrogen therein. This enables the hydrogen to be stored in the at least one high-pressure line itself for later energetic use by the at least one utility unit.
  • the high-pressure line must be appropriately designed for storing the hydrogen therein, for example be appropriately sealed.
  • the at least one high-pressure line is designed for a gas pressure of at least 30 bar. Furthermore, the at least one high-pressure line is preferably designed for a gas pressure of at least 50 bar, very particularly at least 60 bar and even more particularly at least 70 bar. This enables safe and dense storage of the hydrogen under high pressure.
  • the at least one high-pressure line is made of a metal.
  • the metal can be steel or a steel alloy. This steel is preferably particularly pressure-resistant and has a high fatigue strength, so that the hydrogen can be safely stored in the at least one high-pressure line even with frequent load changes.
  • the at least one high-pressure line has a diameter of at least 150 mm.
  • the at least one high-pressure line can have a diameter of at least 150 mm, very particularly at least 200 mm and further particularly at least 250 mm.
  • the diameter can in turn be at most 400 mm, very particularly at most 350 mm and further particularly at most 300 mm.
  • the hydrogen network system can have a hydrogen storage terminal connected to the at least one high-pressure line. Hydrogen can also or alternatively be stored in the hydrogen storage terminal.
  • the low-pressure line is designed for a gas pressure of up to 10 bar.
  • the low-pressure line can be designed for a gas pressure of up to 8 bar, especially up to 5 bar.
  • the above pressure specifications can be permissible maximum values for the low-pressure line.
  • the low-pressure line is made of a plastic.
  • a plastic for example, polyethylene or polyamide, for example PA12, can be used as the plastic.
  • this also has the advantage that the low-pressure line cannot corrode.
  • At least one of the at least one utility unit is a hydrogen combined heat and power plant for a district heating network.
  • the combined heat and power plant can use the hydrogen to provide the district heating in the district heating network, which enables a particularly efficient use of the hydrogen that has been generated from the at least one renewable energy source.
  • At least one of the at least one utility unit is a fuel cell for heat generation and/or a hydrogen-based condensing boiler.
  • the hydrogen can be used to directly heat buildings.
  • At least one of the at least one utility unit is a fuel cell system of a sewage treatment plant.
  • the fuel cell system enables the provision of electrical energy for the operation of the sewage treatment plant from the hydrogen from the electrolyser. This can be particularly useful for a self-sufficient supply of electricity to the sewage treatment plant.
  • the fuel cell system can enable the black start capability of the sewage treatment plant.
  • the hydrogen is used to ensure the supply of heat to the operating buildings of the sewage treatment plant.
  • At least one of the at least one utility unit is a storage system for storing the hydrogen in a liquid organic hydrogen carrier.
  • Storage systems of this type also known as chemical hydrogen storage devices, make it possible to store the hydrogen in a carrier, for example a carrier oil. This can then be transported like conventional oil by means of a tanker, for example, and used elsewhere, for example for transport or mobility applications, to generate energy.
  • Another mobility application that can be used is a hydrogen filling station, for which at least one of the at least one utility unit can be a hydrogen filling station.
  • the hydrogen filling station enables vehicles with fuel cell drives to be supplied with hydrogen from the electrolyser, which is based on renewable energies.
  • the hydrogen filling station can in turn have another hydrogen storage device and also a corresponding compressor, since typically pressures of 350 or 700 bar are required, which are not provided by the high-pressure line.
  • the hydrogen produced to be stored in the at least one high-pressure line.
  • the high-pressure line must, as explained above, be designed accordingly, be particularly sealed, preferably be designed for a high gas pressure of at least 30 bar, preferably be made of metal and preferably have a large diameter of at least 150 mm.
  • the energetic use of the hydrogen in the at least one utility unit takes place when no electrical energy is being generated or cannot be generated by the at least one renewable energy source.
  • a photovoltaic system this is the case when the sun is not shining or the photovoltaic system is defective.
  • a wind turbine if there is a defect or if there is no wind.
  • the stored hydrogen can be used to ensure the energy supply of the at least one utility unit, if this is or would otherwise be possible directly with electricity.
  • figure 1 shows a hydrogen network system 1 according to an embodiment of the invention.
  • the hydrogen network system 1 includes an energy connection 2 in the form of an energy line, by means of which it is connected to a renewable energy source 3 or renewable energy generation source, in this case, for example, a photovoltaic system.
  • a renewable energy source 3 or renewable energy generation source in this case, for example, a photovoltaic system.
  • an electrolyzer 4 of the hydrogen network system 1 is connected to the renewable energy source 3 .
  • the electrolyser 4 receives electricity from the renewable energy source 3 via the energy connection 2 and generates hydrogen from it. This is a first step 101 of the in figure 2 Method 100, which is schematically illustrated based on its steps and is executed in the hydrogen network system 1.
  • the hydrogen produced in this way is fed into a high-pressure line 6 at a high pressure of, for example, 70 bar via a gas pressure regulating and measuring system (GPRM) 5 . This takes place in a second step 102 of the method 100.
  • GPRM gas pressure regulating and measuring system
  • the hydrogen is then temporarily stored in the high-pressure line 6 in a third step 103 of the method 100 .
  • this is made of steel, designed for a gas pressure of up to at least 70 bar and is designed with a diameter of at least 200 mm.
  • the intermediate storage can take place for a short period of a few minutes, for example, or over a long period of a few or several hours, for example.
  • intermediate storage can take place in a hydrogen storage terminal (not shown).
  • the hydrogen is used for energy in various utility units 9, 10, 11, 12, 13, which are each connected to the high-pressure line 6 by means of low-pressure lines 7 and gas pressure regulators 8.
  • this energetic use of the hydrogen can take place in one or more of the utility units 9 , 10 , 11 , 12 , 13 when no electrical energy is being generated by the renewable energy source 3 .
  • the utility unit 9 is a hydrogen combined heat and power plant 9 for a district heating network 14.
  • the hydrogen combined heat and power plant 9 can utilize the hydrogen temporarily stored in the high-pressure line 6 in the fourth step 104 of the method 100 for providing the district heating in the district heating network 14, which means that the Hydrogen that has been generated from the renewable energy source 3 allows.
  • the utility unit 10 is a hydrogen-based condensing boiler 10 for one or more buildings. With the condensing boiler 10, the temporarily stored hydrogen can be used in the fourth step 104 of the method 100 for the direct heating of these buildings.
  • the utility unit 11 is a fuel cell system 11 of a sewage treatment plant.
  • the fuel cell system 11 enables the provision of electrical energy for the operation of the sewage treatment plant from the hydrogen of the electrolyser 4. This can be particularly useful for supplying the sewage treatment plant with a self-sufficient electricity supply.
  • the fuel cell system 11 can be used for a black start of the sewage treatment plant.
  • the utility unit 12 is a storage facility 12 for storing the hydrogen in a liquid organic hydrogen carrier.
  • storage systems 12 of this type which are also known as chemical hydrogen storage devices, make it possible to store the hydrogen in a carrier, for example a carrier oil. This can then be transported like conventional oil by means of a tanker, for example, and used for energy elsewhere, for example for transport or mobility applications.
  • the utility unit 13 is a hydrogen filling station 13.
  • the hydrogen filling station 13 enables vehicles with fuel cell drives to be supplied with the hydrogen from the electrolyzer 4 based on renewable energies.
  • the hydrogen filling station 13 can in turn have another hydrogen storage device (not shown). and also a corresponding compressor (not shown), since pressures of 350 or 700 bar are typically required, for which the low-pressure line 7 is not designed.

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Abstract

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

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Wasserstoffnetzsystem zum Erzeugen von Wasserstoff aus elektrischer Energie von zumindest einer erneuerbaren Energiequelle und zur energetischen Nutzung des Wasserstoffs sowie ein zugehöriges Verfahren.
  • Aus dem Stand der Technik sind sogenannte Microgrids bzw. auf deutsch Mikronetze bekannt, welche eine dezentrale Gruppe von Stromquellen und -verbrauchern sind, die normalerweise an das herkömmliche Verbundnetz (Makronetz) angeschlossen und mit diesem synchronisiert sind, jedoch in der Lage sind, sich von dem Verbundnetz zu trennen und autonom in einem Inselbetrieb zu arbeiten, wenn die technischen oder wirtschaftlichen Bedingungen dies erfordern. Auf diese Weise verbessern Mikronetze die Versorgungssicherheit innerhalb der Mikronetzzelle und können Notstrom liefern, wobei sie zwischen Insel- und Verbundbetrieb wechseln können.
  • Derartige Mikronetze können auch mit erneuerbaren Energie- bzw. Stromquellen betrieben werden, damit das Mikronetz vollständig auf erneuerbarer Energie basiert. Allerdings ist die Verfügbarkeit von erneuerbaren Energien begrenzt auf beispielsweise Sonnenstunden und Wind und die Speicherung von Strom ist kostenintensiv, was die Wirtschaftlichkeit solcher Mikronetze begrenzt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Netzsystem bereitzustellen, welches die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise behebt.
  • Die voranstehende Aufgabe wird durch die Gegenstände der Patentansprüche, insbesondere durch ein Wasserstoffnetzsystem nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 10 gelöst. Weitere Vorteile und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Wasserstoffnetzsystem offenbart sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
  • Demnach löst die Erfindung die Aufgabe gemäß einem ersten Aspekt durch ein Wasserstoffnetzsystem zum Erzeugen von Wasserstoff aus elektrischer Energie von zumindest einer erneuerbaren Energiequelle und zur energetischen Nutzung des Wasserstoffs. Das Wasserstoffnetzsystem weist auf:
    • einen Elektrolyseur, welcher einen Energieanschluss für die zumindest eine erneuerbare Energiequelle aufweist und welcher zur Erzeugung von Wasserstoff aus der elektrischen Energie von der zumindest einen erneuerbaren Energiequelle ausgebildet ist,
    • zumindest eine Hochdruckleitung, welche an den Elektrolyseur angeschlossen ist und zum Verteilen des vom Elektrolyseur erzeugten Wasserstoffs eingerichtet ist, und
    • zumindest eine Nutzeinheit, die zur energetischen Nutzung des (vom Elektrolyseur) erzeugten Wasserstoffs ausgebildet ist, wobei die zumindest Nutzeinheit mittels einer Niederdruckleitung und einem Gasdruckregler an die Hochdruckleitung angeschlossen ist.
  • Damit wird ein auf Wasserstoff basierendes Netz in einem System vorgeschlagen, welches einen Elektrolyseur zur Herstellung des Wasserstoffs, zumindest eine Hochdruckleitung für die Verteilung des hergestellten bzw. erzeugten Wasserstoffs und zumindest eine Nutzeinheit zur energetischen Nutzung bzw. Verwertung des erzeugten Wasserstoffs aufweist. Gegenüber den bekannten und auf Strom basierenden Microgrids hat Wasserstoff den Vorteil, dass dieses wirtschaftlicher als Strom gespeichert werden kann, wenn auch seine Speicherung Herausforderungen mit sich bringt. Außerdem bietet die Bereitstellung des Wasserstoffs mittels der zumindest einen Hochdruckleitung eine besonders effiziente Nutzung für zahlreiche Nutzeinheiten, insbesondere solcher, die Wärme- und Transportanwendungen betreffen.
  • Damit stellt die Erfindung ein lokal einsetzbares Wasserstoffnetzsystem bereit, welches auf einem Wasserstoffnetz mit der zumindest einen Hochdruckleitung und einer oder mehreren Niederdruckleitungen, die zu einer Nutzeinheit oder mehreren Nutzeinheiten führen, sowie entsprechender Vorrichtungen basiert. Die Vorrichtungen sind der eine oder mehrere Gasdruckregler vor der einen oder den mehreren Nutzeinheiten, der Elektrolyseur und die zumindest eine Nutzeinheit.
  • Das Wasserstoffnetzsystem kann selbstverständlich weitere Vorrichtungen umfassen. So beispielsweise die zumindest eine oder mehrere erneuerbare Energiequellen bzw. erneuerbare Energieerzeugungsanlagen, welche an den entsprechenden Energieanschluss des Elektrolyseurs angeschlossen sein kann bzw. sein können. Mögliche erneuerbare Energieerzeugungsanlagen sind beispielsweise Photovoltaikanlagen oder Windkraftanlagen.
  • Auch kann das Wasserstoffnetzsystem eine Gasdruckregel- und Messanlage (GDRM) für den Wasserstoff aufweisen, die an den Elektrolyseur angeschlossen sein kann.
  • Wie die Bezeichnung der Leitungen aussagt, ist die zumindest eine Hochdruckleitung auf einen höheren Gasdruck als die Niederdruckleitung der zumindest einen Nutzeinheit ausgelegt. Die Leitungen werden ganz besonders durch Rohre gebildet. Durch den jeweiligen Gasdruckregler zwischen der zumindest einen Hochdruckleitung und jeder Niederdruckleitung einer Nutzeinheit kann der Gasdruck des Wasserstoffs von der zumindest einen Hochdruckleitung kommend heruntergeregelt werden.
  • Dadurch kann der Gasdruck in der Niederdruckleitung auch an die Anforderungen der Nutzeinheit angepasst werden.
  • Die zumindest eine Nutzeinheit ist zur energetischen Nutzung des Wasserstoffs ausgebildet. Unter energetischer Nutzung ist im Sinne der Erfindung eine Verwertung bzw. ein Verbrauch, eine Weiterleitung oder Weiterverarbeitung, beispielsweise Umwandlung, zu verstehen. Dabei können mehrere, insbesondere verschiedenartige, Nutzeinheiten in dem Wasserstoffnetzsystem vorgesehen werden. Diese können sich jeweils eine Niederdruckleitung und einen Gasdruckregler teilen oder können jeweils mittels separater Niederdruckleitung und separatem Gasdruckregler an die zumindest eine Hochdruckleitung angeschlossen sein.
  • Es kann vorgesehen sein, dass die zumindest eine Hochdruckleitung als ein Wasserstoffspeicher ausgebildet ist. Entsprechend erfüllt die zumindest eine Hochdruckleitung dann die Funktion des Leitens des Wasserstoffs entlang der Hochdruckleitung sowie des Speicherns des Wasserstoffs darin. Das ermöglicht eine Speicherung des Wasserstoffs in der zumindest einen Hochdruckleitung selbst für eine spätere energetische Nutzung durch die zumindest eine Nutzeinheit. Die Hochdruckleitung muss zum Speichern des Wasserstoffs darin entsprechend ausgelegt sein, beispielsweise entsprechend abgedichtet sein.
  • Ganz besonders kann vorgesehen sein, dass die zumindest eine Hochdruckleitung für einen Gasdruck von zumindest 30 bar ausgelegt ist. Ferner vorzugweise ist die zumindest eine Hochdruckleitung für einen Gasdruck von zumindest 50 bar, ganz besonders zumindest 60 bar und noch mehr besonders zumindest 70 bar ausgelegt. Dies ermöglicht eine sichere und dichte Speicherung des Wasserstoffs unter hohem Druck.
  • Auch kann vorgesehen sein, dass die zumindest eine Hochdruckleitung aus einem Metall ausgebildet ist. Insbesondere kann das Metall ein Stahl bzw. eine Stahllegierung sein. Dieser Stahl ist vorzugsweise besonders druckfest und weist eine hohe Dauerfestigkeit auf, sodass der Wasserstoff auch bei häufigen Lastwechseln sicher in der zumindest einen Hochdruckleitung gespeichert werden kann.
  • Ferner kann vorgesehen sein, dass die zumindest eine Hochdruckleitung einen Durchmesser von zumindest 150 mm aufweist. Ganz besonders kann die zumindest eine Hochdruckleitung einen Durchmesser von zumindest 150 mm, ganz besonders von zumindest 200 mm und ferner besonders von zumindest 250 mm aufweisen. Der Durchmesser kann wiederum höchstens 400 mm, ganz besonders höchstens 350 mm und ferner besonders höchstens 300 mm betragen. Dadurch kann eine große Menge Wasserstoff in der zumindest einen Hochdruckleitung bei hoher Sicherheit gespeichert werden.
  • Alternativ oder zusätzlich zu der Ausbildung der zumindest einen Hochdruckleitung als Wasserstoffspeicher kann das Wasserstoffnetzsystem ein mit der zumindest einen Hochdruckleitung verbundenes Wasserstoffspeicherterminal aufweisen. Auch oder alternativ in dem Wasserstoffspeicherterminal kann so Wasserstoff gespeichert werden.
  • Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Niederdruckleitung für einen Gasdruck von bis zu 10 bar ausgelegt ist. Ganz besonders kann die Niederdruckleitung für einen Gasdruck von bis zu 8 bar, ganz besonders bis zu 5 bar ausgelegt sein. Insbesondere können die vorstehenden Druckangaben zulässige Höchstwerte der Niederdruckleitung sein. Dadurch kann das Wasserstoffnetzsystem trotz vergleichsweise teurer Hochdruckleitungen durch die geringeren Druckanforderungen der Niederdruckleitung(en) wirtschaftlich hergestellt werden.
  • Auch kann vorgesehen sein, dass die Niederdruckleitung aus einem Kunststoff ausgebildet ist. Als Kunststoff kann beispielsweise Polyethylen oder Polyamid, beispielsweise PA12, genutzt werden. Dies hat neben wirtschaftlichen Vorteilen auch den Vorteil, dass die Niederdruckleitung nicht korrodieren kann.
  • Außerdem kann vorgesehen sein, dass wenigstens eine der zumindest einen Nutzeinheit, ein Wasserstoff-Blockheizkraftwerk für ein Fernwärmenetz ist. Das Blockheizkraftwerk kann den Wasserstoff insoweit zur Bereitstellung der Fernwärme im Fernwärmenetz verwerten, was eine besonders effiziente Verwertung des Wasserstoffs, der aus der zumindest einen erneuerbaren Energiequelle erzeugt worden ist, ermöglicht.
  • Im Übrigen kann vorgesehen sein, dass wenigstens eine der zumindest einen Nutzeinheit eine Brennstoffzelle zur Wärmeerzeugung und/oder eine Brennwerttherme auf Wasserstoffbasis ist. Mit der Brennwerttherme kann der Wasserstoff zur unmittelbaren Beheizung von Gebäuden genutzt werden.
  • Auch kann vorgesehen sein, dass wenigstens eine der zumindest einen Nutzeinheit ein Brennstoffzellensystem eines Klärwerks ist. Das Brennstoffzellensystem ermöglicht die Bereitstellung von elektrischer Energie für den Betrieb des Klärwerks aus dem Wasserstoff des Elektrolyseurs. Dies kann ganz besonders für eine stromautarke Versorgung des Klärwerks von Nutzen sein. So kann das Brennstoffzellensystem die Schwarzstartfähigkeit des Klärwerks ermöglichen. Neben dieser wasserstoffbasierten Notstromversorgung des Klärwerks kann auch vorgesehen sein, dass mittels des Wasserstoffs die Wärmeversorgung von Betriebsgebäuden des Klärwerks sichergestellt wird.
  • Außerdem kann vorgesehen sein, dass wenigstens eine der zumindest einen Nutzeinheit eine Speicheranlage zum Speichern des Wasserstoffs in einem flüssigen organischen Wasserstoffträger ist. Derartige auch als chemische Wasserstoffspeicher bekannten Speicheranlagen ermöglichen das Speichern des Wasserstoffs in einem Träger, beispielsweise einem Trägeröl. Dieses kann dann wie ein herkömmliches Öl mittels etwa eines Tankwagens transportiert werden und an anderer Stelle, etwa für Transport- bzw. Mobilitätsanwendungen, energetisch genutzt werden.
  • Möglich ist natürlich ferner eine Kopplung des Industriesektors an das Wasserstoffnetzsystem mittels entsprechender Nutzeinheiten, die (Not-)Stromversorgungeinheiten oder Heiz- und/oder Produktionsprozesseinheit, die auf Wasserstoff basieren, sein können.
  • Eine weitere Mobilitätsanwendung, die eingesetzt werden kann ist, eine Wasserstofftankstelle, wofür wenigstens eine der zumindest einen Nutzeinheit eine Wasserstofftankstelle sein kann. Die Wasserstofftankstelle ermöglicht das Versorgen von Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb mit dem auf erneuerbaren Energien basierenden Wasserstoff aus dem Elektrolyseur. Die Wasserstofftankstelle kann ihrerseits einen weiteren Wasserstoffspeicher aufweisen sowie auch einen entsprechenden Verdichter, da typischerweise Drücke von 350 oder 700 bar erforderlich sind, die von der Hochdruckleitung nicht bereitgestellt werden.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die eingangs erwähnte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren in einem Wasserstoffnetzsystem nach dem ersten Aspekt der Erfindung. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
    • Erzeugen von Wasserstoff aus elektrischer Energie von der zumindest einen erneuerbaren Energiequelle,
    • Zwischenspeichern des erzeugten Wasserstoffs, und
    • energetische Nutzung des zwischengespeicherten Wasserstoffs in der zumindest einen Nutzeinheit.
  • Dabei kann vorgesehen sein, dass das Speichern des erzeugten Wasserstoffs in der zumindest einen Hochdruckleitung erfolgt. Dazu muss die Hochdruckleitung, wie zuvor erläutert, entsprechend ausgebildet sein, ganz besonders abgedichtet sein, vorzugsweise für einen hohen Gasdruck von zumindest 30 bar ausgelegt sein, vorzugsweise aus einem Metall ausgebildet sein und vorzugsweise einen großen Durchmesser von zumindest 150 mm aufweisen.
  • Im Übrigen kann vorgesehen sein, dass die energetische Nutzung des Wasserstoffs in der zumindest einen Nutzeinheit erfolgt, wenn keine elektrische Energie von der zumindest einen erneuerbaren Energiequelle erzeugt wird bzw. erzeugt werden kann. Bei einer Photovoltaikanlage ist dies also der Fall, wenn keine Sonne scheint oder ein Defekt der Photovoltaikanlage vorliegt. Bei einer Windkraftanlage ist dies ebenfalls bei einem Defekt oder bei Windstille der Fall. In dieser auch als Dunkelflaute bezeichenbaren Zeit kann das gespeicherte Wasserstoff genutzt werden, um die Energieversorgung der zumindest einen Nutzeinheit sicherzustellen, wenn dies anderenfalls auch direkt mit Strom möglich ist oder wäre.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Einzelnen beschrieben wird. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Dabei zeigen jeweils schematisch:
    • Fig. 1
    ein Wasserstoffnetzsystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
    Fig. 2
    ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Figur 1 zeigt ein Wasserstoffnetzsystem 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Das Wasserstoffnetzsystem 1 umfasst einen Energieanschluss 2 in Form einer Energieleitung, mittels dem es an eine erneuerbare Energiequelle 3 bzw. erneuerbare Energieerzeugungsquelle, vorliegend beispielsweise eine Photovoltaikanlage, angeschlossen ist. Um genau zu sein, ist ein Elektrolyseur 4 des Wasserstoffnetzsystems 1 an die erneuerbare Energiequelle 3 angeschlossen.
  • Der Elektrolyseur 4 erhält über den Energieanschluss 2 Strom von der erneuerbaren Energiequelle 3 und erzeugt hieraus Wasserstoff. Dies ist ein erster Schritt 101 des in Figur 2 schematisch anhand seiner Schritte illustrierten Verfahrens 100, welches in dem Wasserstoffnetzsystem 1 ausgeführt wird.
  • Der so erzeugte Wasserstoff wird über eine Gasdruckregel- und Messanlage (GDRM) 5 in eine Hochdruckleitung 6 bei einem hohen Druck von beispielsweise 70 bar eingespeist. Dies erfolgt in einem zweiten Schritt 102 des Verfahrens 100.
  • Anschließend wird der Wasserstoff in der Hochdruckleitung 6 in einem dritten Schritt 103 des Verfahrens 100 zwischengespeichert. Für eine optimale Speicherfähigkeit des Wasserstoffs in der Hochdruckleitung 6 ist diese aus einem Stahl gefertigt, für einen Gasdruck bis zumindest 70 bar ausgelegt und mit einem Durchmesser von zumindest 200 mm ausgebildet. Die Zwischenspeicherung kann für einen kurzen Zeitraum von beispielsweise wenigen Minuten oder aber über einen langen Zeitraum von beispielsweise wenigen oder mehreren Stunden erfolgen.
  • Alternativ oder zusätzlich kann die Zwischenspeicherung in einem nicht gezeigten Wasserstoffspeicherterminal erfolgen.
  • Schließlich erfolgt in einem vierten Schritt 104 des Verfahrens 100 eine energetische Nutzung des Wasserstoffs in verschiedenartigen Nutzeinheiten 9, 10, 11, 12, 13 welche jeweils mittels Niederdruckleitungen 7 und Gasdruckreglern 8 an die Hochdruckleitung 6 angeschlossen sind. Ganz besonders kann diese energetische Nutzung des Wasserstoffs in einer oder mehreren der Nutzeinheiten 9, 10, 11, 12, 13 dann erfolgen, wenn keine elektrische Energie von der erneuerbaren Energiequelle 3 erzeugt wird.
  • Die Nutzeinheit 9 ist ein Wasserstoff-Blockheizkraftwerk 9 für ein Fernwärmenetz 14. Das Wasserstoff-Blockheizkraftwerk 9 kann den in der Hochdruckleitung 6 zwischengespeicherten Wasserstoff insoweit im vierten Schritt 104 des Verfahrens 100 zur Bereitstellung der Fernwärme im Fernwärmenetz 14 verwerten, was eine besonders effiziente Verwertung des Wasserstoffs, der aus der erneuerbaren Energiequelle 3 erzeugt worden ist, ermöglicht.
  • Die Nutzeinheit 10 ist eine Brennwerttherme 10 auf Wasserstoffbasis für ein oder mehrere Gebäude. Mit der Brennwerttherme 10 kann der zwischengespeicherte Wasserstoff im vierten Schritt 104 des Verfahrens 100 zur unmittelbaren Beheizung dieser Gebäude genutzt werden.
  • Die Nutzeinheit 11 ist ein Brennstoffzellensystem 11 eines Klärwerks. Das Brennstoffzellensystem 11 ermöglicht in dem vierten Schritt 104 des Verfahrens 100 die Bereitstellung von elektrischer Energie für den Betrieb des Klärwerks aus dem Wasserstoff des Elektrolyseurs 4. Dies kann ganz besonders für eine stromautarke Versorgung des Klärwerks von Nutzen sein. So kann das Brennstoffzellensystem 11 im vierten Schritt 104 für einen Schwarzstart des Klärwerks genutzt werden.
  • Die Nutzeinheit 12 ist eine Speicheranlage 12 zum Speichern des Wasserstoffs in einem flüssigen organischen Wasserstoffträger. Derartige auch als chemische Wasserstoffspeicher bekannten Speicheranlagen 12 ermöglichen in dem vierten Schritt 104 des Verfahrens 100 das Speichern des Wasserstoffs in einem Träger, beispielsweise einem Trägeröl. Dieses kann dann wie ein herkömmliches Öl mittels etwa eines Tankwagens transportiert werden und an anderer Stelle, etwa für Transport- bzw. Mobilitätsanwendungen, energetisch genutzt werden.
  • Die Nutzeinheit 13 ist eine Wasserstofftankstelle 13. Die Wasserstofftankstelle 13 ermöglicht in dem vierten Schritt 104 des Verfahrens das Versorgen von Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb mit dem auf erneuerbaren Energien basierenden Wasserstoff aus dem Elektrolyseur 4. Die Wasserstofftankstelle 13 kann ihrerseits einen weiteren Wasserstoffspeicher (nicht gezeigt) aufweisen sowie auch einen entsprechenden Verdichter (nicht gezeigt), da typischerweise Drücke von 350 oder 700 bar erforderlich sind, für welche die Niederdruckleitung 7 nicht ausgelegt ist.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Wasserstoffnetzsystem
    2
    Energieanschluss
    3
    erneuerbare Energiequelle
    4
    Elektrolyseur
    5
    Gasdruckregel- und Messanlage
    6
    Hochdruckleitung
    7
    Niederdruckleitung
    8
    Gasdruckregler
    9
    Nutzeinheit, Wasserstoff-Blockheizkraftwerk
    10
    Nutzeinheit, Brennwerttherme auf Wasserstoffbasis
    11
    Nutzeinheit, Brennstoffzellensystem
    12
    Nutzeinheit, Speicheranlage
    13
    Nutzeinheit, Wasserstofftankstelle
    14
    Fernwärmenetz
    100
    Verfahren
    101
    erster Schritt
    102
    zweiter Schritt
    103
    dritter Schritt
    104
    vierter Schritt

Claims (12)

  1. Wasserstoffnetzsystem (1) zum Erzeugen von Wasserstoff aus elektrischer Energie von zumindest einer erneuerbaren Energiequelle (3) und zur energetischen Nutzung des Wasserstoffs, wobei das Wasserstoffnetzsystem (1) aufweist:
    - einen Elektrolyseur (4), welcher einen Energieanschluss (2) für die zumindest eine erneuerbare Energiequelle (3) aufweist und welcher zur Erzeugung von Wasserstoff aus der elektrischen Energie von der zumindest einen erneuerbaren Energiequelle (3) ausgebildet ist,
    - zumindest eine Hochdruckleitung (6), welche an den Elektrolyseur (4) angeschlossen ist und zum Verteilen des vom Elektrolyseur (4) erzeugten Wasserstoffs eingerichtet ist, und
    - zumindest eine Nutzeinheit (9, 10, 11, 12, 13), die zur energetischen Nutzung des erzeugten Wasserstoffs ausgebildet ist, wobei die zumindest Nutzeinheit (9, 10, 11, 12, 13) mittels einer Niederdruckleitung (7) und einem Gasdruckregler (8) an die Hochdruckleitung (6) angeschlossen ist.
  2. Wasserstoffnetzsystem (1) nach Anspruch 1, wobei die zumindest eine Hochdruckleitung (6) als ein Wasserstoffspeicher eingerichtet ist.
  3. Wasserstoffnetzsystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zumindest eine Hochdruckleitung (6) für einen Gasdruck von zumindest 30 bar ausgelegt ist.
  4. Wasserstoffnetzsystem (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Hochdruckleitung (6) aus einem Metall ausgebildet ist.
  5. Wasserstoffnetzsystem (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Hochdruckleitung (6) einen Durchmesser von zumindest 150 mm aufweist.
  6. Wasserstoffnetzsystem (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Wasserstoffnetzsystem (1) ein mit der zumindest einen Hochdruckleitung (6) verbundenes Wasserstoffspeicherterminal aufweist.
  7. Wasserstoffnetzsystem (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Niederdruckleitung (7) für einen Gasdruck von bis zu höchstens 10 bar ausgelegt ist.
  8. Wasserstoffnetzsystem (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Niederdruckleitung (7) aus einem Kunststoff ausgebildet ist.
  9. Wasserstoffnetzsystem (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei wenigstens eine der zumindest einen Nutzeinheit (9, 10, 11, 12, 13) ein Wasserstoff-Blockheizkraftwerk (9) für ein Fernwärmenetz (14), eine Brennstoffzelle zur Wärmeerzeugung, eine Brennwerttherme (10) auf Wasserstoffbasis, ein Brennstoffzellensystem (11) eines Klärwerks, eine Speicheranlage (12) zum Speichern des Wasserstoffs in einem flüssigen organischen Wasserstoffträger und/oder eine Wasserstofftankstelle (13) ist.
  10. Verfahren (100) in einem Wasserstoffnetzsystem (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Verfahren (100) die Schritte (101, 102, 103, 104) aufweist:
    - Erzeugen von Wasserstoff aus elektrischer Energie von der zumindest einen erneuerbaren Energiequelle (3),
    - Zwischenspeichern des erzeugten Wasserstoffs, und
    - energetische Nutzung des Wasserstoffs in der zumindest einen Nutzeinheit (9, 10, 11, 12, 13).
  11. Verfahren (100) nach Anspruch 10 wobei das Speichern des erzeugten Wasserstoffs in der zumindest einen Hochdruckleitung (6) erfolgt.
  12. Verfahren (100) nach Anspruch 10 oder 11, wobei die energetische Nutzung des Wasserstoffs in der zumindest einen Nutzeinheit (9, 10, 11, 12, 13) erfolgt, wenn keine elektrische Energie von der zumindest einen erneuerbaren Energiequelle (3) erzeugt wird.
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