EP4327443A1 - Verfahren zum aufstarten einer elektrolyseanlage und elektrolyseanlage zur durchführung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zum aufstarten einer elektrolyseanlage und elektrolyseanlage zur durchführung des verfahrens

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EP4327443A1
EP4327443A1 EP22737808.0A EP22737808A EP4327443A1 EP 4327443 A1 EP4327443 A1 EP 4327443A1 EP 22737808 A EP22737808 A EP 22737808A EP 4327443 A1 EP4327443 A1 EP 4327443A1
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EP
European Patent Office
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converter
connection
electrolyzer
voltage
unit
Prior art date
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Application number
EP22737808.0A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander UNRU
Eike Rafael KOCH
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Sunfire Se
SMA Solar Technology AG
Original Assignee
SMA Solar Technology AG
SunFire GmbH
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • C25B1/01—Products
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    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
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    • H02M7/12—Conversion of AC power input into DC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/21—Conversion of AC power input into DC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/217—Conversion of AC power input into DC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M7/219—Conversion of AC power input into DC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only in a bridge configuration

Definitions

  • the invention relates to a method for starting up an electrolysis system and an electrolysis system designed and set up for carrying out the method.
  • the electrolyser is connected to an alternating voltage network (AC network) via a supply unit operating as a rectifier, which supplies the electrolyser with a direct voltage (DC voltage) and also controls its hydrogen generation rate by changing the DC voltage transferred to the electrolyser .
  • the hydrogen generation rate usually increases with an increasing DC voltage present at the DC input of the electrolyzer and an associated power draw from the AC network, at least in a certain operating range for the DC voltage.
  • a conventional supply unit operating as a rectifier contains an AC/DC converter whose bridge circuit has transistors each with a diode connected in antiparallel thereto as a freewheeling diode.
  • the diodes can be a separate diode or an intrinsic diode—a so-called body diode—of the transistor.
  • the supply unit has both an AC-side and a DC-side pre-charging unit.
  • the pre-charging unit typically comprises a series circuit of a pre-charging resistor and a pre-charging switch and a switch connected in parallel with the series circuit.
  • the output capacitance connected to a DC converter connection of the AC/DC converter is first precharged using a current drawn from the AC network and conducted via the precharging resistor of the AC-side precharging unit.
  • the pre-charging resistor serves to limit the current in the uncharged output capacity.
  • the switch becomes the AC-side Pre-charging unit closed, creating a low-impedance electrical connection between the AC/DC converter and the AC grid.
  • the supply unit is electrically connected to the electrolyser via the DC-side pre-charging unit.
  • the electrolyser Since the electrolyser has a predominantly capacitive behavior at low input voltages, which only changes to ohmic behavior after reaching and exceeding a critical DC voltage UDC.C P - often also referred to as no-load voltage - here too the connection is initially made by closing the pre-charging switch when the switch of the DC-side pre-charging unit is initially open. A current flowing from the charged output capacitance to the electrolyzer is conducted via the pre-charging resistor of the DC-side pre-charging unit and its current intensity is limited by this.
  • the publication DE 102004048703 A1 discloses a device and a method for starting and operating a fuel cell system that can be connected to an AC network.
  • a bidirectional converter is provided, via which, during normal operation, a direct current generated by the fuel cell stack of the fuel cell system is converted into alternating current for feeding into the alternating current network.
  • an alternating current of the fuel cell system made available via the alternating current network is converted into a direct current intermediate circuit for feeding.
  • Document EP 3334003 A1 discloses a charging system and a method for its operation.
  • the charging system includes a power supply device, a battery module, and a charging module.
  • the charging module is detachably connected to the power supply device and to the battery module and includes a power conversion unit.
  • the power conversion unit of the charging module is reversely operated and electric power of the battery module is used to precharge a bus capacitor. If the voltage of the bus capacitor is greater than or equal to a first threshold value due to its pre-charging, the voltage at an adjustment terminal of the charging module is adjusted and the charging system is in a normal operating mode.
  • Document US 2017/0005357 A1 discloses a system comprising a Reversible Solid Oxide Fuel Cell (RSOFC) unit, a bidirectional AC/DC converter coupled to the RSOFC unit and a common bus connected to the bidirectional AC/DC DC converter and coupled to a power grid.
  • the RSOFC unit has fuel cell mode and electrolytic operation.
  • the bidirectional AC/DC converter is configured to convert DC power generated by the RSOFC unit into AC power, and convert AC power into DC power for consumption of the RSOFC unit in electrolysis operation.
  • Document JP 2006156066 A discloses a fuel cell system with a main contactor that switches a connection state of a fuel cell with a load and an energy storage device, a pre-charge contactor connected in parallel with the main contactor, a sub-contactor that is arranged between the energy storage device and the load, a sub-contactor connection device that the sub-contactor closes when a start command is received, a comparison means that compares the voltage Ves on the load side with the voltage Vf C of the fuel cell after the sub-contactor is connected, and a main contactor connection means that closes the main contactor without the pre-charge contactor to close when it is decided that the voltage V es applied to the load is greater than the voltage Vf C applied to the fuel cell.
  • the invention is based on the object of specifying a method for starting up an electrolysis system that can be implemented with significantly less effort.
  • the method is intended to enable the electrolysis system to be started up with only one pre-charging unit, if possible, even without a pre-charging unit. It is also the object of the invention to provide an electrolysis system suitable for carrying out the method.
  • the electrolysis system includes an electrolyzer and a supply unit operating as a rectifier.
  • the supply unit has an AC connection connected to an AC network, a DC connection connected to the electrolyzer and an AC/DC converter arranged between the AC connection and the DC connection.
  • the procedure includes the steps:
  • the output capacitance may exist as a separate component relative to the AC/DC converter, but connected to the DC converter terminal of the AC/DC converter. In this case it is not, not even partially, integrated into the AC/DC converter. Alternatively, however, it is also possible for the output capacitance to be partially or fully integrated into the AC/DC converter and thus partially or fully encompassed by the AC/DC converter.
  • the AC/DC converter in particular its AC converter output, can be connected to the AC grid by closing an AC disconnecting unit that is arranged between the AC/DC converter and the AC output.
  • the disconnection of the AC/DC converter in particular its DC converter output and the output capacity connected to it, can be brought about by the electrolyser by opening a DC disconnecting unit which is arranged between the output capacity and the DC output of the supply unit.
  • the AC/DC converter it is possible for the AC/DC converter to be connected to the AC network before, at the same time as or after the disconnection of the AC/DC converter from the electrolyzer.
  • the charging of the output capacitance can already be fully completed by the time the AC converter input is connected to the AC grid. However, this is not necessarily required. Rather, it is also possible within the scope of the invention for the output capacitance to be charged via the electrolyzer working in reverse mode even if the AC converter input is already galvanically connected to the AC network.
  • the complete or at least extensive suppression of the power flow between the AC network and the electrolyzer ensures that when the electrolyzer is reversed from its reverse operation to its normal operation, there is no uncontrolled power flow from the AC network via the supply unit into the electrolyzer . This is because, as will be described in detail later, such a power flow can adversely affect the reversal of operation and possibly also damage the electrodes of the electrolyzer. It doesn't matter where the power flow is suppressed between the AC grid and the electrolyser. Specifically, it can be suppressed between the AC connection of the supply unit and the output capacitance, for example. As an alternative to this, the extensive or complete suppression of the power flow can also take place between the AC/DC converter and the DC connection of the supply unit. A combination of several points at which the power flow is completely or at least largely suppressed is also possible.
  • connection of the AC converter connection to the AC network can be carried out largely without current, but at least with a significantly reduced current.
  • the output capacitance can be charged up to a voltage threshold value which corresponds at least approximately to an amplitude of an AC voltage present at the AC input of the supply unit. In this way, the diodes of the transistor-based bridge circuit of the AC/DC converter are in their blocking state and a current surge from the AC mains into the output capacitance is largely suppressed.
  • An electrolysis system includes an electrolysis unit that includes an electrolyzer and a supply unit that feeds the electrolyzer from an AC network.
  • the supply unit includes an AC connection for connecting an AC network, a DC connection for connecting the electrolyzer and an AC/DC converter arranged between the AC connection and the DC connection.
  • the supply unit also includes an AC disconnection unit for connecting an AC converter connection of the AC/DC converter to the AC connection of the supply unit and a DC disconnection unit for connecting a DC converter connection of the AC/DC converter to the DC connection supply unit.
  • the electrolysis system according to the invention is characterized in that it also contains a control unit for the purpose of controlling it and is designed and set up to carry out the method according to the invention.
  • the AC connection of the supply unit is usually multi-phase and contains a number of phase conductor connections.
  • the supply unit can be designed to to operate improperly.
  • the AC connection or the AC converter connection can also each have a neutral conductor connection.
  • the supply unit it is also possible for the supply unit to be a supply unit that is not capable of unbalanced loads.
  • the AC connection of the supply unit and the AC converter connection of the AC/DC converter only have several phase conductor connections but no neutral conductor connection.
  • the supply unit to have a single-phase design and for the AC connection and the AC converter connection to each have a phase conductor connection and a neutral conductor connection.
  • the invention uses the fact that certain types of electrolyzers can also operate in what is known as reverse operation in addition to their normal operation.
  • the electrolyser is operated as a DC load, which in turn requires a DC source providing a DC voltage as an energy supply.
  • the electrolysis reaction takes place, in which water (H2O) is broken down into its elementary components, hydrogen (H2) and oxygen (O2), using electrical power.
  • the electrical power is taken from the AC network via the supply unit, rectified, and supplied as rectified electrical power to the electrolyser to supply it.
  • the electrolyser itself operates as a DC source and in turn provides electrical energy in the form of a DC voltage for another DC load.
  • Electrolysers that have such a reverse operation are, for example, electrolysers with solid oxide electrolytic cells (Solid Oxide Electrolysis Cells, SOEC), or so-called proton exchange membranes (proton exchange membranes, PEM) electrolysers.
  • SOEC Solid Oxide Electrolysis Cells
  • PEM proton exchange membranes
  • the electrolyzer now operates in its reverse mode, the charging of the output capacity of the supply unit is now not possible within the scope of the invention by means of electrical power drawn from the AC network, but by means of electrical power drawn from the electrolyzer. This applies at least to an initial part of the charging from the voltage-free state of the output capacitance, but possibly also to the complete charging of the output capacitance.
  • the output capacity is—at least initially—galvanically connected only to the electrolyzer and—together with the AC/DC converter connected to the output capacity—galvanically isolated from the AC network.
  • the galvanic isolation can be brought about via the open AC isolation unit between the AC input and the AC/DC converter.
  • the electrolyzer can be separated from the output capacity and thus from the AC/DC converter. By separating the electrolyser and the AC/DC converter from each other, power flow between the AC/DC converter and the electrolyser is completely suppressed. If the electrolyzer can be connected to the AC/DC converter both via a low-impedance connection and via a high-impedance connection, it is sufficient if only the low-impedance connection but not the high-impedance connection is disconnected when the operation is reversed. In this case, the power flow between the AC/DC converter and the electrolyzer is not completely, but at least largely suppressed. Furthermore, the AC/DC converter can be connected to the AC grid.
  • connection to the AC grid by closing the AC disconnection unit can take place without a current flow, at least without a current flow worth mentioning, from the AC grid into the output capacitance.
  • power can flow from the AC grid into the output capacitance.
  • Components of the supply unit that are supplied from the output capacity and previously received their supply power from the electrolyser operating in reverse mode can now be supplied from the AC grid.
  • Such components that are supplied from the output capacity are, for example, the control unit of the supply unit or other small consumers, such as fans, etc.
  • the operational reversal of the electrolyser from its reverse operation to its normal operation is usually always with a more or less pronounced drop connected to the DC voltage present at the connection of the electrolyser.
  • the operation of the electrolyzer can now be reversed from its reverse operation to its normal operation in a state in which both the AC converter connection of the AC/DC converter is connected to the AC grid and the DC converter connection of the AC/DC converter is connected to the electrolyser.
  • both the AC disconnecting unit and the DC disconnecting unit can therefore be in their respective closed states.
  • the diodes of the AC/DC converter are in their blocking state and on such an uncontrollable flow of current from the AC network via the diodes of the AC/DC converter cannot take place due to the blocking effect of the diodes, especially not if the AC/DC converter is connected to the electrolyser via a closed DC separation unit, in particular even remains connected in a low-impedance manner.
  • An alternative variant of the method can be used if it is foreseeable that the operational reversal of the electrolyzer will fall below or threaten to fall below the rectified value of the AC/DC converter.
  • the AC/DC converter can be separated from the electrolyzer for the reversal of operation, in particular before or also during the reversal of operation.
  • the operational reversal of the electrolyser from reverse operation to normal operation can then take place partially or completely in a state of the electrolyser that is separated from the AC/DC converter.
  • the AC/DC converter can be reconnected to the electrolyzer, in particular with a low-impedance connection.
  • the electrolyser can be separated from the AC/DC converter via the DC separation unit of the supply unit. Depending on the design of the DC disconnection unit, the disconnection can be carried out on all poles or only on one pole. In both cases, the power flow between the AC/DC converter and the electrolyser is completely suppressed when the DC separation unit is disconnected.
  • a further variant of the method can be used if the AC/DC converter can be connected to the electrolyser (22) via two connections, namely both via a low-impedance connection and via a high-impedance connection.
  • the pre-charging unit can comprise a first path with a series connection of a pre-charging resistor and a pre-charging switch and a second path with a further switch.
  • the second path is arranged parallel to the first path.
  • the first path represents the high-impedance connection and the second path represents the low-impedance connection.
  • the operational reversal of the electrolyzer from its reverse operation to its normal operation can take place via a change in the starting materials (educts) that are supplied to the electrodes (anode and cathode) of the electrolytic cells.
  • the electrolytic cells of the electrolyzer After the reversal of operation, the electrolytic cells of the electrolyzer have an open-circuit voltage that depends on the number of electrolytic cells connected in series and is typically in a range of 0.8V-1.2V per cell.
  • electrolysis has not yet taken place since the electrolyser is still separated from the DC converter connection of the AC/DC converter and thus from the electrical power supply driving the electrolysis reaction when the DC separation unit is open.
  • the electrolyser is finally galvanically connected to the DC converter output and the output capacitance connected to it.
  • the no-load voltage of the electrolyzer can be adjusted beforehand to the DC voltage that is present at the output capacitance of the supply unit, in order to reduce an equalizing current that would otherwise flow. In the case of the electrolyzer, this can be done, for example, by changing the composition of the reactants supplied to the electrodes.
  • the electrolyser After the connection, in particular the low-impedance connection, of the electrolyser to the AC/DC converter of the supply unit, the electrolyser is operated in normal operation and the electrolytic reaction of the electrolyser is activated by a DC voltage applied to the electrolyser and generated by the supply unit in a known manner way controlled. Since the output capacity is largely charged via the electrolyser and not from the AC network, there is no need for an AC-side pre-charging unit with a corresponding pre-charging resistor within the AC separation unit. However, if an AC-side pre-charging unit is still desired, it can be designed simply and cost-effectively with regard to its current carrying capacity. For example, a nominal power of an AC-side pre-charging resistor can be significantly reduced. In certain cases it is even possible to do without a DC-side pre-charging unit with a corresponding pre-charging resistor. Overall, the effort for the supply unit, as well as for the electrolysis system can be minimized with the supply unit.
  • the output capacitance can be charged to a DC voltage UDC,4 whose value corresponds at least to a rectified value or at least to a simple amplitude of the AC voltage (AC voltage) UAC present at the AC connection.
  • the AC voltage can be a differential voltage of the phase conductors of the AC grid or a voltage between each phase conductor and the neutral conductor. The former is the case when the AC connection of the supply unit and the AC converter connection only have phase conductor connections but no neutral conductor connection. The latter is the case when the AC connection and the AC converter connection also have a neutral conductor connection in addition to the phase conductor connections.
  • charging the output capacitance in this way ensures that the diodes of the AC/DC converter are in their blocking state or are quickly converted into this state.
  • an LC filter can be arranged between the AC separation unit and the AC converter output, the capacitors of which are still uncharged and charge when the AC separation unit is closed.
  • the compensating current that flows for the filter capacitors is also so low that it can be tolerated even without additional current-limiting means. Overall, a power flow from the AC network can be significantly reduced when the AC disconnecting unit is closed.
  • the output capacitance can be charged to a DC voltage UDC,4, the value of which corresponds to at least twice the amplitude of the AC voltage UAC present at the AC connection.
  • this can also be a differential voltage between two phase conductors or a voltage of one of the phase conductors relative to the neutral conductor.
  • a passive filter for example an LC filter or an LCL filter
  • filter capacitors of the passive filter can be charged by the AC/DC converter in a controlled manner even before the AC separation unit is closed.
  • the connection of the AC/DC converter to the AC network by closing the AC disconnecting unit can thus be carried out with virtually no power or current.
  • the AC/DC converter During the generation of the AC voltage by the AC/DC converter for the purpose of synchronization, power loss is generated by the AC/DC converter, which - if the AC separation unit is still open - is taken from the output capacitance. If the DC separation unit were also open, the DC voltage present at the output capacitance would drop.
  • the AC/DC converter it is possible for the AC/DC converter to be separated from the electrolyzer or for the low-impedance connection between the AC/DC converter and the electrolyzer to be separated only when the AC/DC converter is connected to the AC grid, i.e. the AC disconnect unit is closed.
  • the electrolyzer can be connected to the output capacitance of the supply unit when its connection is at least largely voltage-free - i.e. at approximately 0V and even before the electrolyzer is switched to reverse operation - and in a state connected to the supply unit to its reverse - operation to be shifted.
  • the supply unit usually has both an open AC disconnection unit and an open DC disconnection unit before the electrolysis system is started up, the output capacitance is also initially voltage-free. Therefore, there is no, but at least only a negligible, voltage difference between the DC voltages that are present at the connection of the electrolyzer and the output capacity. Thus, the connection between the two does not generate any compensating current, if necessary only a negligible one.
  • the electrolyser can then be disconnected from the charged output capacity to perform the reverse operation.
  • the reversal to normal operation is associated with a significant reduction in the DC voltage present at the connection of the electrolyzer, so that this has a rectified value of the AC/DC connected to the AC network -converter falls below. If the DC voltage at the connection of the electrolyser falls below the rectified value of the AC/DC converter, this would result in a current flow from the AC network when the DC separation unit is closed and the AC separation unit is closed adversely affect the reversal of operation and possibly damage the electrodes of the electrolyser. After the reversal of operation, the electrolyzer is in a state prepared for its normal operation.
  • the no-load voltage is present at its connection.
  • the no-load voltage of the electrolyzer can be varied within certain limits as a function of the media supplied, in particular as a function of their partial pressure and their temperature, possibly also of a temperature of the electrolytic cells.
  • the DC voltage at the connection of the The electrolyser can be adjusted to the DC voltage present at the output capacity, which is why a DC-side pre-charging unit can also be dispensed with in certain cases.
  • the operational reversal can also be carried out in one State occur in which the DC separation unit is closed and thus the DC converter connection and the output capacity are connected to the connection of the electrolyser.
  • the electrolyzer can have been switched to its reverse operation in a state that is separated from the output capacity, and the output capacity is still largely voltage-free.
  • the electrolyser was put into reverse operation in a state connected to the output capacity, but an adjustment of the DC voltages between the connection of the electrolyser and the output capacity after the operation reversal is not sufficiently possible.
  • a DC voltage other than 0V can be present at the connection of the electrolyser, which is particularly close to an open-circuit voltage that is characteristic of its no-load operation (UDC.EI > 0V), while the output capacity is charged (UDC,4 > 0) or largely voltage-free ( UDC,4 « 0V) may be present.
  • UDC.EI > 0V open-circuit voltage that is characteristic of its no-load operation
  • UDC,4 « 0V largely voltage-free
  • the connection of the electrolyzer can be connected to the output capacity via a current-limiting pre-charging resistor.
  • the DC separation unit of the supply unit can have a series connection made up of a pre-charging resistor and a pre-charging switch, as well as a switch arranged in parallel with the series connection.
  • the connection of the electrolyser it is possible for the connection of the electrolyser to be connected to the output capacitance via a DC voltage converter when a DC voltage other than 0V is applied to it.
  • the The electrolysis system in particular the DC separation unit of the supply unit, has a DC-DC converter which is designed to step down a DC voltage present at the connection of the electrolyzer in the direction of the output capacity.
  • a compensating current from the electrolyser that is generated in the uncharged or not yet sufficiently charged output capacity is safely limited to a value that is not critical for the components concerned.
  • the supply unit can have voltage sensors.
  • the voltage sensors can be designed to detect an AC voltage dropping across the AC separation unit and/or a DC voltage dropping across the DC separation unit. It is possible for the voltage sensors to directly detect the voltage drop across the respective separation unit. Alternatively, it is also possible for a voltage measurement relative to a reference potential to be carried out on each contact side of the isolating units and then for the voltages to be subtracted from one another.
  • the voltage sensors can interact with the control unit of the electrolysis system, the control unit of the supply unit and/or the control unit of the electrolysis unit in such a way that the DC disconnection unit is closed depending on the detected DC voltage. Similarly, the AC disconnection unit can also be closed depending on the detected AC voltage.
  • its control unit can be designed as a separate and central control unit, which is designed both to control the supply unit and to control the electrolysis unit.
  • the control unit of the electrolysis system can be integrated at least partially, possibly also completely, into an already existing control unit of the supply unit and/or a control unit of the electrolysis unit. All the control units (those of the supply unit, those of the electrolysis unit and optionally those of the electrolysis system) can be connected to one another in terms of control technology and communication.
  • the AC/DC converter of the supply unit can be designed for a bidirectional power flow that can exchange active electrical power with the AC grid in both directions. In addition, it can be designed to exchange capacitive reactive power as well as inductive reactive power with the AC grid.
  • the AC/DC converter can have a transistor-based bridge circuit, that is to say a bridge circuit with a plurality of transistors, each with a diode connected antiparallel thereto. It is possible for the supply unit to have means for damping interference currents.
  • the supply unit can include a passive filter with inductances and filter capacitances for filtering clock-frequency interference currents.
  • the filter can in particular be an LC filter or an LCL filter.
  • electrolyser In order to be used as an electrolyser within the electrolysis system, it must have certain properties. Specifically, on the one hand, it must be designed to operate in normal operation, in which an electrolysis reaction, in particular an electrolysis reaction of water into hydrogen and oxygen, takes place. In addition, the electrolyser must be designed to provide electrical energy from a chemical energy carrier in reverse operation and thus to operate as a DC source. Types of electrolyzers that implement these operating modes are, for example, electrolyzers based on solid oxide electrolytic cells (SOEC electrolyzer) or proton exchange membrane electrolyzers (PEM electrolyzer). Therefore, the electrolyzer of the electrolysis plant can advantageously be designed as an electrolyzer with solid oxide electrolytic cells, ie as a solid oxide electrolyzer. Alternatively, it is also possible for the electrolyzer to be designed as a proton exchange membrane electrolyzer (PEM electrolyzer).
  • SOEC electrolyzer solid oxide electrolytic cells
  • PEM electrolyzer proton exchange membrane electrolyzer
  • FIG. 1 shows an embodiment of an electrolysis system according to the invention
  • FIG. 1 shows a schematic representation of reverse operation using the example of a solid oxide electrolytic cell (SOEC);
  • SOEC solid oxide electrolytic cell
  • FIG. 3b shows a schematic representation of normal operation using the example of the solid oxide electrolytic cell (SOEC) from FIG. 3a
  • the electrolysis system 50 includes an electrolysis unit 20, a supply unit 10 and a separate control unit 40 which is designed for the coordinated control of the electrolysis unit 20 and the supply unit 10.
  • the control unit 40 is connected in terms of control technology to the electrolysis unit 20 and the supply unit 10, in particular to their control units 8, 25.
  • the AC connection 11 of the supply unit 10 is connected to an AC network 30 via a transformer 32 and a network connection point 31 .
  • the AC network 30 is a three-phase medium-voltage network which provides an AC voltage with the amplitude ÜNetz on a primary side 32.P of the transformer 32.
  • the transformer 32 converts the AC voltage present on the primary side into a three-phase AC voltage with the amplitude Ün, which is present on a secondary side 32.S of the transformer 32 and on the AC connection 11 of the supply unit 10.
  • the DC separation unit 5 includes a pre-charging path with a series connection of a pre-charging resistor 5.1 and a pre-charging switch 5.2.
  • a further switch 5.3 is arranged in parallel with the series connection of precharging resistor 5.1 and template switch 5.2.
  • the DC separation unit 5 it is also possible for the DC separation unit 5 to include a DC voltage converter.
  • the supply unit 10 includes a first voltage sensor 6 which is designed to detect a DC voltage dropping across the DC separation unit 5 . It also includes a second voltage sensor 7 for detecting a voltage across the AC disconnecting unit 2 falling AC voltage. Both voltage sensors 6, 7 are connected to the control unit 8 of the supply unit 10.
  • the control unit 8 of the supply unit 10 is connected to the AC disconnecting unit 2 and the DC disconnecting unit 5 in terms of control technology. The technical control connections are symbolized in FIG. 1 by dashed lines.
  • the control unit 8 is designed to control the AC separation unit 2 and the DC separation unit 5 depending on the voltages detected by the voltage sensors 6.7. Furthermore, it is also designed to control the AC/DC converter 3 .
  • the AC/DC converter 3 has a transistor-based bridge circuit and can be operated bidirectionally with respect to a direction of the power flow. Specifically, it is designed to operate on the one hand as a rectifier and to convert an AC voltage present at its AC converter connection 3.1 into a DC voltage UDC,4 ZU present at its DC converter connection 3.2 and the output capacitance 4 connected thereto. On the other hand, it is designed to operate as an inverter and to convert a DC voltage UDC,4 present at the output capacitance 4 and at its DC converter connection 3.2 into an AC voltage present at its AC converter connection 3.1. It is also able to exchange capacitive and inductive reactive power with the AC grid 30 .
  • the electrolysis unit 20 includes an electrolyzer 22, auxiliary devices for operating the electrolyzer 23, 24, and a control unit 25 for controlling the auxiliary devices and optionally the electrolyzer 22.
  • the auxiliary devices can be controlled in such a way that during any operating state of the electrolyzer 22 (in particular during the reverse -Operation, operation reversal and normal operation), the respectively required media and environmental conditions for the course of the electrochemical reaction within the electrolysis unit 20 are available or present.
  • the electrolyzer 22 is exemplified as a solid oxide electrolytic cell (SOEC) based electrolyzer having solid oxide electrolytic cells (SOEC).
  • a gas supply device 23 for supplying and/or removing the media required for the chemical reaction (educts and products) and a heating device 23 for heating the electrolytic cells of the electrolyzer 22 and/or the supplied ones are shown as auxiliary devices of the SOEC electrolyzer in FIG Media illustrated.
  • the gas supply device 23 and the heating device 24 are supplied via the AC voltage of the amplitude Ün generated on the secondary side by the transformer 32, which also at the AC connection 11 of the supply unit 10 is present.
  • the electrolysis unit 20 or the electrolyzer 22 is electrically connected to the DC connection 12 of the supply unit 10 via a connection 21 .
  • the electrolysis system 50 can contain other components that are not shown explicitly in FIG. 1 and may not be necessary for an explanation of the present invention.
  • the supply unit 10 can contain a filter for damping undesired interference currents in the AC network 30 .
  • the filter can have inductances and associated filter capacitances and can be arranged, for example, between the AC separator unit 2 and the AC/DC converter 3 .
  • the supply unit 10 in FIG. 1 is embodied as a three-phase supply unit, it can also have a different number of phase conductors or phase conductor connections. It is also possible that it is designed as a single-phase supply unit.
  • the AC network 30 does not necessarily have to be a medium-voltage network. Rather, it is also possible for the AC network 30 to correspond to a low-voltage network. In such a case, the transformer 32 can also be omitted and the supply unit 10 can be connected directly to the AC grid 30 .
  • FIG. 2 schematically illustrates an embodiment of the method for operating the electrolysis system, for example the electrolysis system 50 from FIG. 1 , in the form of a flowchart.
  • the method starts with a step S1.
  • the AC converter connection 3.1 of the AC/DC converter 3 is separated from the AC connection 11 of the supply unit 10—and thus from the AC network 30—via the open AC separation unit 2 .
  • the DC converter connection 3.2 and the output capacitance 4 are also separated from the DC connection 12 of the supply unit 10 and thus from the connection 21 of the electrolyser 22 via the open DC separation unit 5 (both the pre-charging switch 5.2 and another switch 5.3 are open).
  • the electrolyzer 22 is switched to its reverse mode via the control unit of the electrolysis system 40 and the control unit of the electrolysis unit 25 connected thereto.
  • the electrolyzer 22 operates as a fuel cell and thus as a DC source when suitable media are supplied.
  • the electrolytic cells, possibly also the supplied media, are heated via the heating device 24 and the media are fed to the electrolytic cells of the electrolyzer 22 via the gas supply device 23 fed.
  • the auxiliary devices, here: the gas supply device 23 and the heating device 24 are supplied via the AC voltage present on the secondary side of the transformer 32.S.
  • a DC voltage is generated at the connection 21 of the electrolyzer 22 and is also present at the DC connection 12 of the supply unit 10 .
  • a third step S3 the pre-charging switch 5.2 of the DC separation unit 5 is closed, as a result of which, in a fourth step S4, the output capacitance 4 is charged via a current limited by the pre-charging resistor 5.1.
  • the charging of the output capacitance 4 takes place here at least to a value which is twice the amplitude Ün of the AC voltage present at the AC connection 11 .
  • the further switch 5.3 of the DC separation unit 5 can be closed and the electrolyzer 22 can be connected at low resistance to the DC converter connection 3.2 and the output capacitance 4.
  • a fifth step S5 an AC voltage with an amplitude that at least approximately corresponds to the amplitude Ün is generated by appropriate clocking of the AC/DC converter 3, which is controlled by the control unit 8. Furthermore, the AC voltage generated by the AC/DC converter 3 is synchronized with the AC voltage present at the AC connection 11 both in terms of its amplitude and in terms of its phase position. The course of the synchronization can be observed using the first voltage sensor 7 , which detects the AC voltages present at both connections of the AC disconnecting unit 2 and transfers them to the control unit 8 .
  • the DC separation unit 5 is closed, so that a power loss of the AC/DC converter 3, which is taken from the output capacitance 4, continues to flow on the part of the electrolyzer operating in reverse operation and can thus be compensated.
  • the DC voltage UDC,4 present at the output capacitance 4 can thus be kept constant.
  • the AC disconnecting unit 2 is closed in a sixth step S6, which, due to the synchronization, can take place with virtually no current and is therefore gentle on the AC disconnecting unit 2. Since the AC separation unit 2 is closed, recharging of the output capacity 4 from the AC grid 30 is guaranteed the DC converter connection 3.2 and the Output capacity 4 is galvanically isolated.
  • the seventh step S7 is merely an optional step, which is symbolized in FIG. 2 by a frame represented by dashed lines. It is particularly advantageous when it is foreseeable that the reversal of operation will be associated with a significant reduction in the DC voltage UDC.EL present at the connection of the electrolyzer 22, so that it falls below a rectified value of the AC/DC connected to the AC network 30. DC converter 3 can fall.
  • the operation of the electrolyzer 22 is reversed, which is controlled via the central control unit 40 of the electrolysis system 50 in conjunction with the control unit 25 of the electrolysis unit 20.
  • the operational reversal of the electrolyzer 22 from its reverse operation as a fuel cell BZ to its normal operation as an electrolyzer EL can take place in a state in which the electrolyzer 22 is electrically isolated from the DC converter connection 3.2 and the output capacitance 4.
  • an open-circuit voltage forming at the connection 21 of the electrolyzer 22 can be approximated (synchronized) as a DC voltage UDC.EL to the DC voltage UDC,4 present at the output capacitance 4.
  • the DC disconnecting unit 5 can then be closed in an optional tenth step S10, as a result of which the DC converter connection 3.2 of the AC/DC converter has a low impedance with the electrolyzer 22 is connected.
  • the DC separation unit 5 is closed, depending on the type of synchronization that has taken place, initially only the pre-charging switch 5.2 can be closed and only then the further switch 5.3. If the voltage difference between the DC voltages is sufficiently small, however, sequential closing of the precharging switch 5.1 and the further switch 5.3 can be dispensed with and the further switch 5.3 can be closed directly.
  • the electrolyzer 22 controlled by the central control unit 40 in conjunction with the control units 8, 25 of the supply unit 10 and electrolysis unit 20, starts its normal operation, in which the electrolytic decomposition of water H2O into its components oxygen O2 and hydrogen H2 takes place.
  • the flow chart in FIG. 2 was explained using the example of the electrolysis system 50 from FIG. 1 , in which the DC separation unit 5 comprises a pre-charging unit having a pre-charging resistor 5.1. However, the flow chart can also be transferred in a slightly modified form to a DC separation unit which, as a pre-charging unit for the output capacitance 4 , has a DC/DC converter stepping down from the electrolyzer 22 in the direction of the output capacitance 4 .
  • the previously deactivated DC/DC converter would then be activated in the third step S3, deactivated in the seventh step S7 and activated again in the tenth step S10 and possibly bridged at low resistance via a switch bridging the DC/DC converter in parallel.
  • the electrolyser operates as a DC source and generates a DC voltage at its terminals 304, 305, which correspond to those of terminal 21 of FIG.
  • a DC load 310 which is shown in broken lines in FIG. 3a, can be supplied with the DC voltage.
  • the DC load 310 is mainly formed by the output capacitance 4 to be charged and/or the pre-charging resistor 5.1 of the DC isolating unit 5 .
  • an oxygen-containing gas for example filtered air taken from the environment
  • hydrogen H2 is provided as fuel gas at the anodes 301 of the electrolysis cells.
  • the hydrogen molecules H2 are first oxidized at the anodes 301 with electrons being released to the anodes 301 to form positively charged hydrogen ions FT.
  • the electrons flow to the cathodes via the externally connected DC load 310 .
  • the oxygen molecules O2 provided there and provided from the air are reduced to oxygen ions O2 with a double negative charge, each taking up two electrons e-.
  • the negatively charged oxygen ions O 2 diffuse through an electrolyte 302 of the electrolytic cells in the direction of the anodes 301, where they react with the positively charged hydrogen ions FT present there to form molecular water FI2O.
  • the water is in the form of water vapor together with the FI2O.
  • the residual gases present on the anodes 301 eg unused fuel gas
  • the cathode 303 side the used, oxygen-depleted air is swept away from the cathodes 303 by the supplied air. This results in the chemical partial reactions shown in the table in Fig. 3a at the anodes 301 and cathodes 303:
  • FIG. 3b shows the normal operation of the SOEC electrolyzer 22 together with the processes taking place in the electrolytic cells.
  • the electrolyzer 22 is connected at low resistance to the DC converter connection 3.2 and the output capacitance 4 via the closed DC separation unit 5.
  • the AC separation unit 2 of the supply unit 10 is also closed and the AC/DC converter 3 operates as a rectifier which draws electrical power from the AC grid 30 and makes the rectified electrical power available to the electrolyser 22 for carrying out the electrolysis reaction.
  • the electrolyzer 22 operates as a DC load, which is electrically supplied by the supply unit 10, in particular its AC/DC converter 3.
  • the combination of AC network 30, AC/DC converter 3 and output capacitance 4 in FIG. 3c is symbolized by the DC source 311 connected to the connections 304, 305 and represented by dashed lines.
  • water H2O is provided in the form of water vapor at the cathodes 303.
  • the water molecules are split there into positively charged hydrogen ions H+ and oxygen ions O 2 that are doubly negatively charged.
  • the positively charged hydrogen ions H+ are reduced by taking up electrons to form molecular hydrogen H2, the doubly negatively charged oxygen ions O 2 diffuse - driven by a concentration gradient and the electric field imposed in the electrolytic cells via the DC source 311 - in the direction of the Anodes 301. Arrived at the anodes 301, they are oxidized there to form molecular oxygen O2 with the release of electrons.
  • the deposited at the anode oxygen can by supplying For example, air taken from the environment and filtered can be flushed out of the system. Water vapor that is not consumed on the cathode side is flushed away from the cathode together with the hydrogen produced by the water vapor that is fed in and can be thermally and/or materially recycled in a subsequent step. Instead of hydrogen as fuel gas in reverse operation, water vapor is supplied as "fuel gas" in normal operation. Air can also be brought in on the air side in order to adjust the oxygen concentration on the surface of the electrolyte 302 . In normal operation, the partial reactions shown in the table in Fig. 3c result:

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Aufstarten einer Elektrolyseanlage (50) beschrieben, umfassend einen Elektrolyseur (22) und eine als Gleichrichter operierende Versorgungseinheit (10). Dabei weist die Versorgungseinheit (10) einen mit einem AC-Netz (30) verbundenen AC-Anschluss (11), einen mit dem Elektrolyseur (22) verbundenen DC-Anschluss (12) und einen zwischen dem AC-Anschluss (11) und dem DC-Anschluss (12) angeordneten AC/DC-Wandler (3) auf. Das Verfahren umfasst die Schritte: - Aufladen einer mit einem DC-Wandleranschluss (3.2) des AC/DC-Wandlers (3) verbundenen Ausgangskapazität (4) durch Betreiben des Elektrolyseurs (22) in einem Revers-Betrieb als DC-Spannungsquelle, in einem mit dem Elektrolyseur (22) verbundenen und von dem AC-Netz (30) getrennten Zustand des AC/DC-Wandlers (3), - Verbinden des AC/DC-Wandlers (3) mit dem AC-Netz (30), - Betriebsumkehr des Elektrolyseurs (22) von dem Revers-Betrieb in einen Normal-Betrieb als DC-Last, wobei bei der Betriebsumkehr ein Leistungsfluss zwischen dem AC-Netz (30) und dem Elektrolyseur (22) vollständig oder zumindest weitgehend unterdrückt wird, und - Betreiben des Elektrolyseurs (22) in dem Normal-Betrieb als DC-Last mit einer über die Versorgungseinheit (10) aus dem AC-Netz (30) entnommenen und über den AC/DC-Wandler (3) gleichgerichteten elektrischen Leistung. Weiterhin ist eine Elektrolyseanlage (50) beschrieben.

Description

Verfahren zum Aufstarten einer Elektrolyseanlage und Elektrolyseanlage zur
Durchführung des Verfahrens
Technisches Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufstarten einer Elektrolyseanlage sowie eine zur Durchführung des Verfahrens ausgelegte und eingerichtete Elektrolyseanlage.
Stand der Technik
Es ist bekannt, Elektrolyseanlagen zur elektrolytischen Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser in dem sogenannten Power-To-Gas Verfahren einzusetzen. Der Elektrolyseur ist dabei über eine als Gleichrichter operierende Versorgungseinheit an ein Wechselspannungsnetz (AC-Netz) angeschlossen, die den Elektrolyseur mit einer Gleichspannung (DC-Spannung) versorgt und auch dessen Wasserstoff- Erzeugungsrate über eine Änderung der an den Elektrolyseur übergebenen DC- Spannung steuert. Üblicherweise nimmt dabei die Wasserstoff - Erzeugungsrate mit einer ansteigenden an dem DC-Eingang des Elektrolyseurs anliegenden DC- Spannung und einer damit einhergehenden Leistungsentnahme aus dem AC-Netz, zumindest in einem gewissen Betriebsbereich für die DC-Spannung, zu.
Eine herkömmliche als Gleichrichter operierende Versorgungseinheit beinhaltet einen AC/DC-Wandler, dessen Brückenschaltung Transistoren mit jeweils einer dazu antiparallel verschalteten Diode als Freilaufdiode aufweisen. Bei den Dioden kann es sich um eine separate oder eine intrinsische Diode - eine sogenannte Body-Diode - des Transistors handeln. Um einen Stromstoß in eine DC-seitig mit dem AC/DC- Wandler verbundene und beim Aufstarten zunächst ungeladene Kapazität zu vermeiden, weist die Versorgungseinheit sowohl eine AC-seitige, als auch eine DC- seitige Vorladeeinheit auf. Die Vorladeeinheit umfasst typischerweise eine Serienschaltung eines Vorladewiderstandes und eines Vorladeschalters und einen zu der Serienschaltung parallel geschalteten Schalter. Bei einem Aufstarten der Elektrolyseanlage wird nun zunächst die mit einem DC-Wandleranschluss des AC/DC- Wandlers verbundene Ausgangskapazität über einen dem AC-Netz entnommenen und über den Vorladewiderstand der AC-seitigen Vorladeeinheit geführten Strom vorgeladen. Der Vorladewiderstand dient dabei zur Begrenzung des Stroms in die ungeladene Ausgangskapazität. Bei Erreichen eines Spannungsschwellwertes für die an der Ausgangskapazität anliegende DC-Spannung wird der Schalter der AC-seitigen Vorladeeinheit geschlossen, wodurch eine niederimpedante elektrische Verbindung des AC/DC-Wandlers und des AC-Netzes hergestellt wird. Nach erfolgter Aufladung der Ausgangskapazität erfolgt eine elektrische Verbindung der Versorgungseinheit mit dem Elektrolyseur über die DC-seitige Vorladeeinheit. Da der Elektrolyseur bei niedrigen Eingangsspannungen ein vorwiegend kapazitives Verhalten aufweist, welches erst nach Erreichen und Überschreiten einer kritischen DC-Spannung UDC.CP - oftmals auch als Leerlaufspannung bezeichnet - in ein ohmsches Verhalten übergeht, erfolgt auch hier die Verbindung zunächst über ein Schließen des Vorladeschalters bei zunächst geöffnetem Schalter der DC-seitigen Vorladeeinheit. Ein von der aufgeladenen Ausgangskapazität zu dem Elektrolyseur fließender Strom wird dabei über den Vorladewiderstand der DC-seitigen Vorladeeinheit geleitet und durch diesen in seiner Stromstärke begrenzt. Erst bei Erreichen eines weiteren Schwellwertes für eine an dem Elektrolyseur anliegende DC-Spannung, oder - was bei gleichbleibender DC-Spannung über der Ausgangskapazität gleichbedeutend ist - einem Unterschreiten eines Spannungsabfalls über dem Vorladewiderstand, wird der Schalter der DC-seitigen Vorladeeinheit geschlossen und der Elektrolyseur niederimpedant mit dem DC-Wandlerausgang des AC/DC-Wandlers verbunden.
Die Ausgangskapazität der Versorgungseinheit, wie auch der Elektrolyseur selbst weisen jeweils einen großen Kapazitätswert auf. Damit eine Vorladung der Kapazitäten nun innerhalb einer vorgegebenen Zeit abgeschlossen ist, sind für beide Vorladeeinheiten Vorladewiderstände mit einer hohen Nominalleistung erforderlich, was mit einem enormen Kostenaufwand verbunden ist. Wünschenswert ist daher ein Verfahren zum Aufstarten einer Elektrolyseanlage, welches mit einem geringeren Aufwand verbunden ist.
Die Druckschrift DE 102004048703 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Starten und Betreiben einer mit einem Wechselstromnetz verbindbaren Brennstoffzellenanlage. Dabei ist ein bidirektionaler Wandler vorgesehen, überden bei einem Normalbetrieb ein von dem Brennstoffzellenstapel der Brennstoffzellenanlage erzeugter Gleichstrom zur Einspeisung in das Wechselstromnetz in Wechselstrom umgewandelt wird. Umgekehrt wird während eines Startvorgangs ein über das Wechselstromnetz zur Verfügung gestellter Wechselstrom der Brennstoffzellenanlage zur Einspeisung in einen Gleichstrom-Zwischenkreis umgewandelt. Die Druckschrift EP 3334003 A1 offenbart ein Ladesystem und ein Verfahren zu dessen Betrieb. Das Ladesystem umfasst eine Stromversorgungsvorrichtung, ein Batteriemodul, und ein Lademodul. Das Lademodul ist trennbar mit der Stromversorgungseinrichtung und mit dem Batteriemodul verbunden und umfasst eine Leistungsumwandlungseinheit. Wenn die Stromversorgungseinrichtung und das Lademodul miteinander verbunden werden, wird die Leistungswandlungseinheit des Lademoduls in Rückwärtsrichtung betrieben und elektrische Leistung des Batteriemoduls wird zum Vorladen eines Buskondensators genutzt. Wenn die Spannung des Buskondensators durch dessen Vorladung größer oder gleich einem ersten Schwellenwert ist, wird die Spannung an einem Einstellanschluss des Lademoduls eingestellt und das Ladesystem befindet sich in einem normalen Betriebsmodus.
Die Schrift US 2017/0005357 A1 offenbart ein System umfassend eine Reversible Solid Oxide Fuel Cell (RSOFC)-Einheit, einen bidirektionalen AC/DC-Wandler, der mit der RSOFC-Einheit gekoppelt ist und einen gemeinsamen Bus, der mit dem bidirektionalen AC/DC-Wandler und mit einem Stromnetz gekoppelt ist. Die RSOFC- Einheit hat einen Brennstoffzellenmodus und einen Elektrolysebetrieb. Der bidirektionale AC/DC-Wandler ist konfiguriert, eine DC-Leistung, die von der RSOFC- Einheit erzeugt wird, in AC-Leistung umzuwandeln, und für den Verbrauch der RSOFC-Einheit im Elektrolysebetrieb AC-Leistung in DC-Leistung umzuwandeln.
Die Druckschrift JP 2006156066 A offenbart ein Brennstoffzellensystem mit einem Hauptschütz, das einen Verbindungszustand einer Brennstoffzelle mit einer Last und einem Energiespeicher umschaltet, einem mit dem Hauptschütz parallel geschalteten Vorladeschütz, einem Unterschütz, das zwischen dem Energiespeicher und der Last angeordnet ist, einer Unterschützverbindungseinrichtung, die das Unterschütz schließt, wenn ein Startbefehl empfangen wird, ein Vergleichsmittel, das die Spannung Ves auf Seite der Last mit der Spannung VfC der Brennstoffzelle vergleicht, nachdem das Unterschütz angeschlossen ist, und ein Hauptschütz-Verbindungsmittel, das das Hauptschütz schließt, ohne das Vorladeschütz zu schließen, wenn entschieden wird, dass die an der Last anliegende Spannung Ves größer ist als die an der Brennstoffzelle anliegende Spannung VfC. Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Aufstarten einer Elektrolyseanlage anzugeben, das mit einem deutlich geringeren Aufwand umgesetzt werden kann. Konkret soll das Verfahrens ein Aufstarten der Elektrolyseanlage möglichst mit lediglich einer Vorladeeinheit, gegebenenfalls auch ohne Vorladeeinheit ermöglichen. Es ist zudem Aufgabe der Erfindung, eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Elektrolyseanlage aufzuzeigen.
Lösung
Die Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die Aufgabe, eine zur Durchführung des Verfahrens ausgelegte Elektrolyseanlage anzugeben, wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 8, vorteilhafte Ausführungsformen der Elektrolyseanlage in den Ansprüchen 10 bis 17 genannt.
Beschreibung der Erfindung
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Aufstarten einer Elektrolyseanlage umfasst die Elektrolyseanlage einen Elektrolyseur und eine als Gleichrichter operierende Versorgungseinheit. Dabei weist die Versorgungseinheit einen mit einem AC-Netz verbundenen AC-Anschluss, einen mit dem Elektrolyseur verbundenen DC- Anschluss und einen zwischen dem AC-Anschluss und dem DC-Anschluss angeordneten AC/DC-Wandler auf. Das Verfahren umfasst die Schritte:
Aufladen einer mit einem DC-Wandleranschluss des AC/DC-Wandlers verbundenen Ausgangskapazität durch Betreiben des Elektrolyseurs in einem Revers- Betrieb als DC-Spannungsquelle, in einem mit dem Elektrolyseur verbundenen und von dem AC-Netz getrennten Zustand des AC/DC-Wandlers,
Verbinden des AC/DC-Wandlers mit dem AC-Netz,
Betriebsumkehr des Elektrolyseurs von dem Revers-Betrieb als DC- Spannungsquelle in einen Normal-Betrieb als DC-Last, wobei bei der Betriebsumkehr ein Leistungsfluss zwischen dem AC-Netz (30) und dem Elektrolyseur (22) vollständig oder zumindest weitgehend unterdrückt wird, und
Betreiben des Elektrolyseurs in dem Normal-Betrieb als DC-Last mit einer über die Versorgungseinheit aus dem AC-Netz entnommenen und über den AC/DC- Wandler gleichgerichteten elektrischen Leistung.
Die Ausgangskapazität kann als eine relativ zum AC/DC-Wandler separate Komponente vorliegen, die jedoch mit dem DC-Wandleranschluss des AC/DC- Wandlers verbunden ist. In diesem Fall ist sie nicht, auch nicht teilweise in den AC/DC- Wandler integriert. Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass die Ausgangskapazität teilweise oder auch vollständig in den AC/DC-Wandler integriert ist und somit teilweise oder auch vollständig von dem AC/DC-Wandler umfasst ist. Das Verbinden des AC/DC-Wandlers, insbesondere dessen AC-Wandlerausgangs mit dem AC-Netz, kann über ein Schließen einer AC-Trenneinheit erfolgen, die zwischen dem AC/DC- Wandler und dem AC-Ausgang angeordnet ist. Ähnlich kann das Trennen des AC/DC- Wandlers, insbesondere dessen DC-Wandlerausgangs und der daran angeschlossenen Ausgangskapazität von dem Elektrolyseur über ein Öffnen einer DC- T renneinheit herbeigeführt werden, die zwischen der Ausgangskapazität und dem DC- Ausgang der Versorgungseinheit angeordnet ist. Grundsätzlich ist es möglich, dass das Verbinden des AC/DC-Wandlers mit dem AC-Netz zeitlich vor, gleichzeitig zu oder zeitlich nach dem Trennen des AC/DC-Wandlers von dem Elektrolyseur erfolgt. Die Aufladung der Ausgangskapazität kann zu einem Zeitpunkt, bei dem der AC- Wandlereingang mit dem AC-Netz verbunden wird, bereits vollständig abgeschlossen sein. Dies ist jedoch nicht notwendigerweise erforderlich. Vielmehr ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, dass die Ausgangskapazität auch dann noch über den im Revers-Betrieb arbeitenden Elektrolyseur aufgeladen wird, wenn der AC- Wandlereingang bereits mit dem AC-Netz galvanisch verbunden ist. Die vollständige oder zumindest weitgehende Unterdrückung des Leistungsflusses zwischen dem AC- Netz und dem Elektrolyseur stellt sicher, dass bei der Betriebsumkehr des Elektrolyseurs von seinem Revers-Betrieb in seinen Normal-Betrieb kein unkontrollierter Leistungsfluss aus dem AC-Netz über die Versorgungseinheit in den Elektrolyseur erfolgt. Ein derartiger Leistungsfluss kann nämlich, wie später detailliert beschrieben wird, die Betriebsumkehr ungüstig beeinflussen und gegebenenfalls auch Elektroden des Elektrolyseurs schädigen. Dabei ist es unerheblich, an welcher Stelle zwischen AC-Netz und Elektrolyseur der Leistungsfluss unterdrückt wird. Konkret kann er beispielsweise zwischen dem AC-Anschluss der Versorgungseinheit und der Ausgangskapazität unterdrückt werden. Alternativ dazu kann die weitgehende oder vollständige Unterdrückung des Leistungsflusses auch zwischen dem AC/DC-Wandler und dem DC-Anschluss der Versorgungseinheit erfolgen. Auch eine Kombination von mehreren Stellen, an denen der Leistungsfluss vollständig oder zumindest weitgehend unterdrückt wird, ist möglich.
Das Verbinden des AC-Wandleranschlusses mit dem AC-Netz kann dabei weitgehend stromlos, zumindest jedoch deutlich ström reduziert erfolgen. Beispielsweise kann die Ausgangskapazität vor dem Verbinden des AC/DC-Wandlers mit dem AC-Netz bis auf einen Spannungs-Schwellwert aufgeladen sein, der zumindest in etwa einer Amplitude einer an dem AC-Eingang der Versorgungseinheit herrschenden Wechselspannung entspricht. Auf diese Weise liegen die Dioden der transistorbasierten Brückenschaltung des AC/DC-Wandlers in ihrem sperrenden Zustand vor und ein Stromstoß aus dem AC-Netz in die Ausgangskapazität wird weitestgehend unterdrückt.
Eine erfindungsgemäße Elektrolyseanlage beinhaltet eine einen Elektrolyseur umfassende Elektrolyseeinheit und eine den Elektrolyseur aus einem AC-Netz speisende Versorgungseinheit. Dabei umfasst die Versorgungseinheit einen AC- Anschluss zum Anschluss eines AC-Netzes, einen DC-Anschluss zum Anschluss des Elektrolyseurs und einen zwischen dem AC-Anschluss und dem DC-Anschluss angeordneten AC/DC-Wandler. Die Versorgungseinheit umfasst weiterhin eine AC- Trenneinheit zum Verbinden eines AC-Wandleranschlusses des AC/DC-Wandlers mit dem AC-Anschluss der Versorgungseinheit und eine DC-Trenneinheit zum Verbinden eines DC-Wandleranschlusses des AC/DC-Wandlers mit dem DC-Anschluss der Versorgungseinheit. Die erfindungsgemäße Elektrolyseanlage ist dadurch gekennzeichnet, dass sie zum Zweck ihrer Steuerung weiterhin eine Steuerungseinheit beinhaltet und zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgelegt und eingerichtet ist.
Der AC-Anschluss der Versorgungseinheit - wie auch der AC-Wandleranschluss des AC/DC-Wandlers - ist üblicherweise mehrphasig ausgebildet und beinhaltet mehrere Phasenleiteranschlüsse. Die Versorgungseinheit kann dazu ausgebildet sein, schief lastfähig zu operieren. In diesem Fall kann der AC-Anschluss beziehungsweise der AC-Wandleranschluss auch jeweils einen Neutralleiteranschluss aufweisen. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch möglich, dass es sich bei der Versorgungseinheit um eine nicht schieflastfähige Versorgungseinheit handelt. Bei einer mehrphasig ausgebildeten Versorgungseinheit, die nicht schieflastfähig ausgebildet ist, ist es möglich, dass der AC-Anschluss der Versorgungseinheit wie auch der AC-Wandleranschluss des AC/DC-Wandlers lediglich mehrere Phasenleiteranschlüsse, jedoch keinen Neutralleiteranschluss aufweisen. Im Rahmen der Erfindung ist es zudem möglich, dass die Versorgungseinheit lediglich einphasig ausgeführt ist und der AC Anschluss wie auch der AC-Wandleranschluss jeweils einen Phasenleiteranschluss und einen Neutralleiteranschluss umfasst.
Die Erfindung nutzt den Effekt, dass bestimmte Typen von Elektrolyseuren zusätzlich zu ihrem Normal-Betrieb auch in einem sogenannten Revers-Betrieb operieren können. Bei dem Normal-Betrieb des Elektrolyseurs wird der Elektrolyseur als eine DC-Last betrieben, die ihrerseits eine eine DC-Spannung bereitstellende DC-Quelle als Energieversorgung benötigt. In dem Normal-Betrieb erfolgt die Elektrolysereaktion, bei der Wasser (H2O) unter Verbrauch elektrischer Leistung in seine elementaren Bestandteile Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) zersetzt wird. Die elektrische Leistung wird über die Versorgungseinheit aus dem AC-Netz entnommen, gleichrichtet, und als gleichgerichtete elektrische Leistung dem Elektrolyseur zu dessen Versorgung zugeführt. Bei dem Revers-Betrieb hingegen operiert der Elektrolyseur selbst als DC-Quelle und stellt seinerseits eine elektrische Energie in Form einer DC-Spannung für eine andere DC-Last bereit. Elektrolyseure, die einen derartigen Revers-Betrieb aufweisen, sind beispielsweise Elektrolyseure mit Festoxid- Elektrolysezellen ( Solid-Oxide-Electrolysis-Cells , SOEC), oder sogenannte Protonen- Austausch-Membran {proton-exchange-membrane, PEM) Elektrolyseure. Beide Betriebsmodi, Normal-Betrieb und Revers-Betrieb, wie auch ein Übergang beziehungsweise eine Betriebsumkehr vom Revers-Betrieb in den Normal-Betrieb werden am Beispiel eines Elektrolyseurs mit Festoxid-Elektrolysezellen in Verbindung mit den Fig. 3a bis 3b nochmals detailliert erläutert, weswegen an dieser Stelle auf die entsprechende Figurenbeschreibung verwiesen wird.
Indem nun der Elektrolyseur in seinem Revers-Betrieb operiert, kann im Rahmen der Erfindung das Aufladen der Ausgangskapazität der Versorgungseinheit nun nicht mittels einer dem AC-Netz entnommenen elektrischen Leistung, sondern mittels einer dem Elektrolyseur entnommenen elektrischen Leistung erfolgen. Dies gilt zumindest für einem anfänglichen Teil der Aufladung aus dem spannungslosen Zustand der Ausgangskapazität heraus, gegebenenfalls jedoch auch für die vollständige Aufladung der Ausgangskapazität. Für einen Leistungsfluss von dem Elektrolyseur in die Ausgangskapazität ist die Ausgangskapazität - zumindest anfänglich - lediglich mit dem Elektrolyseur galvanisch verbunden und - zusammen mit dem an die Ausgangskapazität angeschlossenen AC/DC-Wandler - vom AC-Netz galvanisch getrennt. Dabei kann die galvanische Trennung über die geöffnete AC-Trenneinheit zwischen dem AC-Eingang und dem AC/DC-Wandler herbeigeführt werden.
Ist die Ausgangskapazität hinreichend, gegebenenfalls auch vollständig aufgeladen, kann der Elektrolyseur von der Ausgangskapazität und damit von dem AC/DC- Wandler getrennt werden. Indem der Elektrolyseur und der AC/DC-Wandler voneinander getrennt sind, wird ein Leistungsfluss zwischen dem AC/DC-Wandler und dem Elektrolyseur vollständig unterdrückt. Sofern der Elektrolyseur sowohl über eine niederimpedante Verbindung als auch über eine hochimpedante Verbindung mit dem AC/DC-Wandler verbindbar ist, ist es ausreichend, wenn bei der Betriebsumkehr lediglich die niederimpedante Verbindung, nicht aber die hochimpedante Verbindung aufgetrennt wird. In diesem Fall wird der Leistungsfluss zwischen dem AC/DC-Wandler und dem Elektrolyseur nicht vollständig, aber zumindest weitgehend unterdrückt. Weiterhin kann der AC/DC-Wandler mit dem AC-Netz verbunden werden. Das Verbinden mit dem AC-Netz über das Schließen der AC-Trenneinheit kann dabei jedoch ohne einen Stromfluss, zumindest ohne einen nennenswerten Stromfluss aus dem AC-Netz in die Ausgangskapazität erfolgen. Nachdem der AC/DC-Wandler mit dem AC-Netz verbunden ist, kann ein Leistungsfluss aus dem AC-Netz in die Ausgangskapazität erfolgen. Komponenten der Versorgungseinheit, die aus der Ausgangskapazität versorgt werden und zuvor ihre Versorgungsleistung von dem im Revers-Betrieb operierenden Elektrolyseur erhielten, können nun aus dem AC-Netz versorgt werden. Derartige Komponenten, die aus der Ausgangskapazität versorgt werden, sind beispielsweise die Steuerungseinheit der Versorgungseinheit oder andere Kleinverbraucher, zum Beispiel Lüfter etc.
Die Betriebsumkehr des Elektrolyseurs von seinem Revers-Betrieb in seinen Normal- Betrieb ist üblicherweise stets mit einem mehr oder weniger ausgeprägtem Absinken der an dem Anschluss des Elektrolyseurs anliegenden DC-Spannung verbunden. In einer Ausführungsform des Verfahrens kann nun die Betriebsumkehr des Elektrolyseurs von seinem Revers-Betrieb in seinen Normal-Betrieb in einem Zustand erfolgen, bei dem sowohl der AC-Wandleranschluss des AC/DC-Wandlers mit dem AC-Netz als auch der DC-Wandleranschluss des AC/DC-Wandlers mit dem Elektrolyseur verbunden ist. Dabei können also sowohl die AC-Trenneinheit als auch die DC-Trenneinheit in ihren jeweils geschlossenen Zuständen vorliegen. Dies kann insbesondere dann durchgeführt werden, wenn absehbar ist, dass eine Verringerung einer DC-Spannung am Anschluss des Elektrolyseurs, die mit der Betriebsumkehr einhergeht, einen Gleichrichtwert des DC/AC-Wandlers nicht unterschreitet oder unterschreiten wird. Ein Unterschreiten des Gleichrichtwertes hätte nämlich einen unkontrollierbaren Stromfluss aus dem AC-Netz über Dioden des AC/DC-Wandlers zur Folge, der ein weiteres Absinken der DC-Spannung an der Ausgangskapazität verhindert. Dies wiederum kann die Betriebsumkehr des Elektrolyseurs von dem Revers-Betrieb in den Normal-Betrieb ungünstig beeinflussen, gegebenenfalls auch zusätzlich die Elektroden des Elektrolyseurs irreversibel schädigen. Wenn nun jedoch während der Betriebsumkehr trotz des temporären Einbruchs der an dem Anschluss des Elektrolyseurs anliegenden DC-Spannung der Gleichrichtwert des AC/DC- Wandlers nicht unterschritten wird, so liegen die Dioden des AC/DC-Wandlers in ihrem jeweils sperrenden Zustand vor und ein derartiger unkontrollierbarer Stromfluss aus dem AC-Netz über die Dioden des AC/DC-Wandlers kann schon aufgrund der Sperrwirkung der Dioden nicht erfolgen, insbesondere auch dann nicht, wenn der AC/DC-Wandler mit dem Elektrolyseur über eine geschlossene DC-Trenneinheit verbunden, insbesondere sogar niederimpedant verbunden bleibt. Konkret erfolgt in diesem Fall eine vollständige Unterdrückung des Leistungsflusses zwischen dem AC/DC-Wandler und dem Elektrolyseur bei dessen Betriebsumkehr dadurch, dass die Dioden des AC/DC-Wandlers aufgrund des Verhältnisses zwischen der DC-Spannung am Elektrolyseur und dem Gleichrichtwert des mit dem AC-Netz verbundenen AC/DC- Wandlers in ihrem jeweils sperrenden Zustand vorliegen. Nach erfolgter Betriebsumkehr des Elektrolyseurs kann dann, wenn der Elektrolyseur in seinem Normal-Betrieb betrieben werden soll, eine Taktung des AC/DC-Wandlers so geändert werden, dass über diese die an der Ausgangskapazität anliegende DC-Spannung - und im galvanisch verbundenen Zustand von Ausgangskapazität und Anschluss des Elektrolyseurs ebenfalls die an dem Anschluss des Elektrolyseurs anliegende DC- Spannung - variiert und insbesondere angehoben wird.
Eine alternative Variante des Verfahrens kann dann angewendet werden, wenn absehbar ist, dass die Betriebsumkehr des Elektrolyseurs den Gleichrichtwert des AC/DC-Wandlers unterschreitet oder zu unterschreiten droht. Gemäß dieser alternativen Variante kann für die Betriebsumkehr, insbesondere vor oder auch während der Betriebsumkehr, ein Trennen des AC/DC-Wandlers von dem Elektrolyseur erfolgen. Die Betriebsumkehr des Elektrolyseurs von dem Revers- Betrieb in den Normal-Betrieb kann dann teilweise oder vollständig in einem von dem AC/DC-Wandler getrennten Zustand des Elektrolyseurs erfolgen. Nach erfolgter Betriebsumkehr kann der AC/DC-Wandlers mit dem Elektrolyseur wieder verbunden, insbesondere niederimpedant verbunden werden. In diesem Fall hat eine gegebenenfalls höhere DC-Spannung an der Ausgangskapazität aufgrund der T rennung von AC/DC-Wandler und Elektrolyseur keinen Einfluss auf die am Anschluss des Elektrolyseurs anliegende DC-Spannung und kann somit weder die Betriebsumkehr des Elektrolyseurs ungünstig beeinflussen, noch die Elektroden des Elektrolyseurs schädigen. Das Trennen des Elektrolyseurs von dem AC/DC-Wandler kann über die DC-Trenneinheit der Versorgungseinheit erfolgen. Dabei kann die Trennung je nach Ausführung der DC-Trenneinheit allpolig oder lediglich einpolig durchgeführt werden. In beiden Fällen erfolgt im getrennten Zustand der DC- Trenneinheit eine vollständige Unterdrückung des Leistungsflusses zwischen dem AC/DC-Wandler und dem Elektrolyseur.
Eine weitere Variante des Verfahrens kann angewendet werden, wenn der AC/DC- Wandler über zwei Verbindungen, nämlich sowohl über eine niederimpedante Verbindung und über eine hochimpedante Verbindung, mit dem Elektrolyseur (22) verbindbar ist. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn die DC-Trenneinheit (wie auch in Verbindung mit Fig. 1 ) beschrieben, eine Vorladeeinheit aufweist. Die Vorladeeinheit kann einen ersten Pfad mit einer Reihenschaltung eines Vorladewiderstandes und eines Vorladeschalters und einen zweiten Pfad mit einem weiteren Schalter umfassen. Dabei ist der zweite Pfad parallel zu dem ersten Pfad angeordnet. In diesem Fall repräsentiert der erste Pfad die hochimpedante Verbindung und der zweite Pfad die niederimpedante Verbindung. Es liegt nun im Rahmen der Erfindung, dass für die Betriebsumkehr lediglich ein Trennen der niederimpedanten Verbindung des AC/DC-Wandlers von dem Elektrolyseur, nicht aber ein Trennen der hochimpedanten Verbindung erfolgt. Die Betriebsumkehr des Elektrolyseurs von dem Revers-Betrieb in den Normal-Betrieb erfolgt dabei in einem getrennten Zustand der niederimpedanten Verbindung zwischen dem AC/DC-Wandler und dem Elektrolyseur. Nach erfolgter Betriebsumkehr wird der AC/DC-Wandler wieder niederimpedant mit dem Elektrolyseur verbunden. Durch den niederimpedant getrennten, hochimpedant jedoch verbundenen Zustand der DC-Trenneinheit erfolgt eine zumindest weitgehende Unterdrückung des Leistungsflusses zwischen dem AC/DC-Wandler und dem Elektrolyseur. Abhängig von der Wahl des Vorladewiderstandes hat sich jedoch gezeigt, dass dies bereits ausreicht, die Betriebsumkehr des Elektrolyseurs ohne Behinderung und ohne Schädigung seiner Elektroden durchführen zu können.
Die Betriebsumkehr des Elektrolyseurs von seinem Revers-Betrieb in seinen Normal- Betrieb kann über eine Änderung von Ausgangsstoffen (Edukten) erfolgen, die den Elektroden (Anode und Kathode) der Elektrolysezellen zugeführt werden. Nach erfolgter Betriebsumkehr weisen die Elektrolysezellen des Elektrolyseurs eine Leerlaufspannung auf, die abhängig von der Anzahl der in Reihe geschalteten Elektrolysezellen ist und typischerweise in einem Bereich von 0,8V - 1 ,2V pro Zelle liegt. Eine Elektrolyse findet jedoch noch nicht statt, da der Elektrolyseur bei geöffnet vorliegender DC-Trenneinheit noch von dem DC-Wandleranschluss des AC/DC- Wandler und somit von der die Elektrolysereaktion antreibenden elektrischen Leistungsversorgung getrennt ist. Um den Normal-Betrieb des Elektrolyseurs herbeizuführen, wird der Elektrolyseur schließlich galvanisch mit dem DC- Wandlerausgang und der daran angeschlossenen Ausgangskapazität verbunden. Dabei kann zuvor eine Angleichung der Leerlaufspannung des Elektrolyseurs an die DC-Spannung erfolgen, die an der Ausgangskapazität der Versorgungseinheit anliegt, um einen ansonsten fließenden Ausgleichsstrom zu reduzieren. Dies kann bei dem Elektrolyseur beispielsweise über eine Änderung der Zusammensetzung der an die Elektroden gelieferten Edukte erfolgen. Nach erfolgter Verbindung, insbesondere niederimpedanter Verbindung des Elektrolyseurs mit dem AC/DC-Wandler der Versorgungseinheit wird der Elektrolyseur im Normal-Betrieb betrieben und die Elektrolysereaktion des Elektrolyseurs wird durch eine an dem Elektrolyseur anliegende und von der Versorgungseinheit erzeugte DC-Spannung in an sich bekannter Weise gesteuert. Da die Aufladung der Ausgangskapazität weitestgehend über den Elektrolyseur und nicht aus dem AC-Netz erfolgt, kann auf eine AC-seitige Vorladeeinheit mit einem entsprechenden Vorladewiderstand innerhalb der AC-Trenneinheit verzichtet werden. Sollte dennoch eine AC-seitige Vorladeeinheit weiterhin gewünscht sein, kann sie jedoch in Bezug auf ihre Stromtragfähigkeit einfach und kostengünstig ausgelegt werden. Beispielsweise kann eine Nominalleistung eines AC-seitigen Vorladewiderstandes deutlich reduziert werden. In bestimmten Fällen ist es sogar möglich, zusätzlich auch auf eine DC-seitige Vorladeeinheit mit einem entsprechenden Vorladewiderstand zu verzichten. Insgesamt kann der Aufwand für die Versorgungseinheit, wie auch für die Elektrolyseanlage mit der Versorgungseinheit minimiert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens kann die Ausgangskapazität auf eine DC-Spannung UDC,4 aufgeladen werden, deren Wert zumindest einem Gleichrichtwert oder zumindest einer einfachen Amplitude der an dem AC-Anschluss anliegenden Wechselspannung (AC-Spannung) UAC entspricht. Bei der AC-Spannung kann es sich je nach Art des AC-Anschlusses um eine Differenzspannung der Phasenleiter des AC-Netzes oder um eine Spannung zwischen jedem Phasenleiter und dem Neutralleiter handeln. Ersteres ist dann der Fall, wenn der AC-Anschluss der Versorgungseinheit wie auch der AC-Wandleranschluss lediglich Phasenleiteranschlüsse, aber keinen Neutralleiteranschluss aufweist. Letzteres ist dann der Fall, wenn der AC-Anschluss wie auch der AC- Wandleranschluss neben den Phasenleiteranschlüssen auch einen Neutralleiteranschluss aufweist. Unabhängig von der Art des AC-Anschlusses gewährleistet eine derartige Aufladung der Ausgangskapazität, dass die Dioden des AC/DC-Wandlers in ihrem sperrenden Zustand vorliegen oder rasch in diesen überführt werden. Konkret kann beispielsweise ein LC-Filter zwischen der AC- Trenneinheit und dem AC-Wandlerausgang angeordnet sein, dessen Kondensatoren noch ungeladen sind und sich bei dem Schließen der AC-Trenneinheit aufladen. Da jedoch eine Kapazität der Filterkondensatoren typischerweise deutlich geringer als die der Ausgangskapazität ist, fällt der fließende Ausgleichsstrom für die Filterkondensatoren ebenfalls so gering aus, dass er auch ohne zusätzliche ström begrenzende Mittel tolerierbar ist. Insgesamt kann ein Leistungsfluss aus dem AC-Netz bei einem Schließen der AC-Trenneinheit deutlich reduziert werden. In einer weiteren Variante kann die Ausgangskapazität auf eine DC-Spannung UDC,4 aufgeladen werden, deren Wert zumindest einer doppelten Amplitude der an dem AC- Anschluss anliegenden AC-Spannung UAC entspricht. Auch hier kann es sich, je nach Ausführung des AC-Anschlusses um eine Differenzspannung zweier Phasenleiter oder eine Spannung eines der Phasenleiter relativ zu dem Neutralleiter handeln. Bei einer derartigen DC-Spannung der Ausgangskapazität kann vor dem Verbinden des AC/DC-Wandlers mit dem AC-Netz eine AC-Spannung von dem AC/DC-Wandler generiert und mit einer an dem AC-Anschluss der Versorgungseinheit anliegenden AC-Spannung Un synchronisiert werden. Das Generieren der AC-Spannung kann über ein entsprechendes Takten der Transistoren des AC/DC-Wandlers erfolgen. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn zwischen AC-Trenneinheit und AC/DC- Wandler ein passives Filter, beispielsweise ein LC-Filter oder ein LCL-Filter angeordnet ist. Auf diese Weise können nämlich Filterkondensatoren des passiven Filters seitens des AC/DC-Wandlers schon vor dem Schließen der AC-Trenneinheit in kontrollierter Art und Weise aufgeladen werden. Das Verbinden des AC/DC-Wandlers mit dem AC-Netz durch Schließen der AC-Trenneinheit kann somit nahezu leistungs beziehungsweise stromlos erfolgen.
Während der Erzeugung der AC-Spannung durch den AC/DC-Wander zum Zweck der Synchronisation wird Verlustleistung durch den AC/DC-Wandler erzeugt, die - sofern die AC-Trenneinheit noch geöffnet ist - der Ausgangskapazität entnommen wird. Wäre auch die DC-Trenneinheit geöffnet, würde daher die an der Ausgangskapazität anliegende DC-Spannung absinken. In einer vorteilhaften Variante des Verfahrens ist es möglich, dass das Trennen des AC/DC-Wandlers von dem Elektrolyseur oder das Trennen der niederimpedanten Verbindung zwischen dem AC/DC-Wandler und dem Elektrolyseur erst dann erfolgt, wenn der AC/DC-Wandler mit dem AC-Netz verbunden ist, also die AC-Trenneinheit geschlossen ist. Auf diese Weise wird eine Wiederaufladung der Ausgangskapazität und somit eine Kompensation der durch den AC/DC-Wandler erzeugten Verlustleistung über den im Revers-Betrieb operierenden Elektrolyseur ermöglicht. Somit ist während der Synchronisation und auch bis zur erfolgten Synchronisation eine unterbrechungsfreie Versorgung des AC/DC-Wandlers einerseits und auch von weiteren gegebenenfalls über die Ausgangskapazität elektrisch versorgten Komponenten der Versorgungseinheit sicher gewährleistet. Nach Schließen der AC-Trenneinheit und der dann existierenden elektrischen Verbindung mit dem AC-Netz kann ein Leistungsfluss in die Ausgangskapazität sowie eine elektrische Versorgung der daran angeschlossenen Komponenten aus dem AC- Netz erfolgen. Danach kann die DC-Trenneinheit dann geöffnet werden und der Elektrolyseur kann durch die Betriebsumkehr von dem Revers-Betrieb in den Normal- Betrieb versetzt werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Elektrolyseur in einem zumindest weitgehend spannungsfreien Zustand seines Anschlusses - also bei ungefähr 0V und schon vor dem Versetzen des Elektrolyseurs in den Revers-Betrieb - mit der Ausgangskapazität der Versorgungseinheit verbunden werden und in einem mit der Versorgungseinheit verbundenen Zustand in seinen Revers-Betrieb versetzt werden. Da die Versorgungseinheit vor dem Aufstarten der Elektrolyseanlage üblicherweise sowohl eine geöffnete AC-Trenneinheit als auch eine geöffnete DC-Trenneinheit aufweist, ist auch die Ausgangskapazität anfangs spannungsfrei. Daher herrscht kein, zumindest jedoch ein lediglich vernachlässigbarer Spannungsunterschied zwischen den DC- Spannungen, die an dem Anschluss des Elektrolyseurs und der Ausgangskapazität anliegen. Somit erzeugt die Verbindung zwischen beiden auch keinen, gegebenenfalls nur einen vernachlässigbaren Ausgleichsstrom. Zur Durchführung der Betriebsumkehr kann der Elektrolyseur dann von der aufgeladenen Ausgangskapazität getrennt werden. Dies ist zwar nicht zwingend erforderlich, aber insbesondere dann vorteilhaft, wenn mit der Betriebsumkehr in den Normalbetrieb eine signifikante Absenkung der an dem Anschluss des Elektrolyseurs anliegenden DC-Spannung verbunden ist, so dass diese einen Gleichrichtwert des mit dem AC-Netz verbundenen AC/DC-Wandlers unterschreitet. Unterschreitet nämlich die DC-Spannung an dem Anschluss des Elektrolyseurs den Gleichrichtwert des AC/DC-Wandlers, so hätte dies bei geschlossenem Zustand der DC-Trenneinheit und geschlossenem Zustand der AC- Trenneinheit einen Stromfluss aus dem AC-Netz zur Folge, welcher die Durchführung der Betriebsumkehr ungünstig beeinflussen und gegebenenfalls die Elektroden des Elektrolyseurs schädigen kann. Nach erfolgter Betriebsumkehr liegt der Elektrolyseur in einem für seinem Normal-Betrieb vorbereiteten Zustand vor. Da er jedoch zunächst, zumindest in einer Ausführungsform, durch die geöffnete DC-Trenneinheit noch von dem AC/DC-Wandler getrennt ist, liegt an seinem Anschluss die Leerlaufspannung an. In Abhängigkeit der zugeführten Medien, insbesondere in Abhängigkeit von deren Partialdruck und deren Temperatur, gegebenenfalls auch von einer Temperatur der Elektrolysezellen, lässt sich die Leerlaufspannung des Elektrolyseurs jedoch in gewissen Grenzen variieren. Somit kann die DC-Spannung an dem Anschluss des Elektrolyseurs der an der Ausgangskapazität anliegenden DC-Spannung angeglichen werden, weswegen in bestimmten Fällen zusätzlich auch auf eine DC-seitige Vorladeeinheit verzichtet werden kann. Ist hingegen absehbar, dass die DC-Spannung am Anschluss des Elektrolyseurs bei der Betriebsumkehr von dem Revers-Betrieb zu dem Normal-Betrieb den Gleichrichtwert des mit dem AC-Netz verbundenen AC/DC- Wandlers nicht unterschreitet, so kann die Betriebsumkehr auch in einem Zustand erfolgen, bei dem die DC-Trenneinheit geschlossen ist und somit der DC- Wandleranschluss und die Ausgangskapazität mit dem Anschluss des Elektrolyseurs verbunden sind.
Gemäß einer weiteren Variante des Verfahrens kann jedoch nach erfolgter Betriebsumkehr des Elektrolyseurs und vor dem Schließen der DC-Trenneinheit noch ein signifikanter Spannungsunterschied zwischen dem Anschluss des Elektrolyseurs und der Ausgangskapazität herrschen. Konkret kann beispielsweise der Elektrolyseur in einem von der Ausgangskapazität getrennten Zustand in seinen Revers-Betrieb versetzt worden sein, und die Ausgangskapazität noch weitgehend spannungsfrei vorliegen. Alternativ oder kumulativ ist es auch möglich, dass der Elektrolyseur zwar in einem mit der Ausgangskapazität verbundenen Zustand in den Revers-Betrieb versetzt wurde, aber ein Angleichen der DC-Spannungen zwischen dem Anschluss des Elektrolyseurs und der Ausgangskapazität nach erfolgter Betriebsumkehr nicht hinreichend möglich ist. Konkret kann also eine von 0V verschiedene DC-Spannung an dem Anschluss des Elektrolyseurs anliegen, die insbesondere nahe einer für seinen Leerlaufbetrieb charakteristischen Leerlaufspannung liegt (UDC.EI > 0V), während die Ausgangskapazität aufgeladen (UDC,4 > 0) oder weitgehend spannungsfrei (UDC,4 « 0V) vorliegen kann. In derartigen Fällen, und insbesondere wenn ein Unterschied der charakteristischen Leerlaufspannung des Elektrolyseurs UDC.EL und der an der Ausgangskapazität anliegenden DC-Spannung einen Schwellwert übersteigt, kann der Anschluss des Elektrolyseurs über einen ström begrenzenden Vorladewiderstand mit der Ausgangskapazität verbunden werden. Hierzu kann bei der Elektrolyseanlage die DC-Trenneinheit der Versorgungseinheit eine Serienschaltung aus einem Vorladewiderstand und einem Vorladeschalter, sowie einen parallel zu der Serienschaltung angeordneten Schalter aufweisen. Alternativ dazu ist es möglich, dass der Anschluss des Elektrolyseurs bei einer an ihm anliegenden von 0V verschiedenen DC-Spannung über einen Gleichspannungswandler mit der Ausgangskapazität verbunden wird. Um letzteres zu realisieren, kann die Elektrolyseanlage, insbesondere die DC-Trenneinheit der Versorgungseinheit einen Gleichspannungswandler aufweisen, der ausgebildet ist, eine an dem Anschluss des Elektrolyseurs herrschende DC-Spannung in Richtung der Ausgangskapazität tiefzusetzen. In beiden Ausführungsformen (Vorladewiderstand oder Gleichspannungswandler) wird ein entstehender Ausgleichsstrom von dem Elektrolyseur in die ungeladene, oder noch nicht ausreichend aufgeladene Ausgangskapazität sicher auf einen für die betroffenen Bauteile unkritischen Wert begrenzt.
Gemäß einer Ausführungsform der Elektrolyseanlage kann die Versorgungseinheit Spannungssensoren aufweisen. Die Spannungssensoren können zur Detektion einer über die AC-Trenneinheit abfallenden AC-Spannung und/oder einer über die DC- Trenneinheit abfallenden DC-Spannung ausgelegt sein. Es ist möglich, dass die Spannungssensoren direkt die über die jeweilige Trenneinheit abfallende Spannung detektieren. Alternativ ist es auch möglich, dass auf jeder Kontaktseite der Trenneinheiten jeweils eine Spannungsmessung relativ zu einem Bezugspotential erfolgt und danach die Spannungen voneinander subtrahiert werden. Die Spannungssensoren können mit der Steuerungseinheit der Elektrolyseanlage, der Steuerungseinheit der Versorgungseinheit und/oder der Steuerungseinheit der Elektrolyseeinheit derart Zusammenwirken, dass ein Schließen der DC-Trenneinheit abhängig von der detektierten DC-Spannung erfolgt. Ähnlich kann auch ein Schließen der AC-Trenneinheit abhängig von der detektierten AC-Spannung erfolgen.
In einer Ausführungsform der Elektrolyseanlage kann deren Steuerungseinheit als separate und zentrale Steuerungseinheit ausgebildet sein, die sowohl zur Steuerung der Versorgungseinheit als auch zur Steuerung der Elektrolyseeinheit ausgelegt ist. Alternativ dazu ist es möglich, dass die Steuerungseinheit der Elektrolyseanlage zumindest teilweise, gegebenenfalls auch vollumfänglich in eine ohnehin vorhandene Steuerungseinheit der Versorgungseinheit und/oder eine Steuerungseinheit der Elektrolyseeinheit integriert ist. Dabei können sämtliche Steuerungseinheiten (die der Versorgungseinheit, die der Elektrolyseeinheit und gegebenenfalls die der Elektrolyseanlage) steuerungstechnisch und kommunikativ miteinander verbunden sein.
In einer Ausführungsform der Elektrolyseanlage kann der AC/DC-Wandler der Versorgungseinheit für einen bidirektionalen Leistungsfluss ausgelegt sein, der in beide Richtungen elektrische Wirkleistung mit dem AC-Netz austauschen kann. Zudem kann er ausgelegt sein, kapazitive Blindleistung, wie auch induktive Blindleistung mit dem AC-Netz auszutauschen. Der AC/DC-Wandler kann eine transistorbasierte Brückenschaltung, also eine Brückenschaltung mit mehreren Transistoren mit jeweils einer antiparallel dazu geschalteten Diode aufweisen. Es ist möglich, dass die Versorgungseinheit Mittel zur Störstromdämpfung aufweist. Beispielsweise kann die Versorgungseinheit ein passives Filter mit Induktivitäten und Filterkapazitäten zur Filterung taktfrequenter Störströme umfassen. Bei dem Filter kann es sich insbesondere um ein LC-Filter oder ein LCL-Filter handeln.
Um als Elektrolyseur innerhalb der Elektrolyseanlage eingesetzt werden zu können, muss er bestimmte Eigenschaften aufweisen. Konkret muss er einerseits ausgebildet sein, in einem Normal-Betrieb zu operieren, bei der eine Elektrolysereaktion, insbesondere eine Elektrolysereaktion von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff erfolgt. Zudem muss der Elektrolyseur ausgelegt sein, in einem Revers-Betrieb elektrische Energie aus einem chemischen Energieträger bereitzustellen und somit als DC-Quelle zu operieren. Elektrolyseurtypen, die diese Betriebsmodi realisieren, sind beispielsweise auf Festoxid-Elektrolysezellen basierende Elektrolyseure (SOEC- Elektrolyseur) oder Protonen-Austausch-Membran Elektrolyseure (PEM- Elektrolyseur). Daher kann der Elektrolyseur der Elektrolyseanlage vorteilhafterweise als ein Elektrolyseur mit Festoxid-Elektrolysezellen, also als ein Festoxid- Elektrolyseur, ausgebildet sein. Alternativ ist es auch möglich, dass der Elektrolyseur als ein Protonen-Austausch-Membran Elektrolyseur (PEM-Elektrolyseur) ausgebildet ist.
Kurzbeschreibunq der Figuren
Im Folgenden wird die Erfindung mithilfe von Figuren dargestellt. Von diesen zeigen
Fig. 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrolyseanlage;
Fig. 2 ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens, wie es mit der Elektrolyseanlage aus Fig. 1 durchgeführt werden kann; Fig. 3a eine schematische Darstellung des Revers-Betriebs am Beispiel einer Festoxid-Elektrolysezelle (SOEC);
Fig. 3b eine schematische Darstellung des Normal-Betriebs am Beispiel der Festoxid-Elektrolysezelle (SOEC) aus Fig. 3a
Fiqurenbeschreibunq
In Fig. 1 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektrolyseanlage 50 dargestellt. Die Elektrolyseanlage 50 beinhaltet eine Elektrolyseeinheit 20, eine Versorgungseinheit 10 und eine separate Steuerungseinheit 40, die zur koordinierten Steuerung der Elektrolyseeinheit 20 und der Versorgungseinheit 10 ausgelegt ist. Zu diesem Zweck ist die Steuerungseinheit 40 steuerungstechnisch mit der Elektrolyseeinheit 20 und der Versorgungseinheit 10, insbesondere mit deren Steuerungseinheiten 8, 25 verbunden. Die Versorgungseinheit 10 ist mit ihrem AC- Anschluss 11 über einen Transformator 32 und einen Netzanschlusspunkt 31 an ein AC-Netz 30 angeschlossen. Beispielhaft handelt es sich bei dem AC-Netz 30 um ein dreiphasig ausgebildetes Mittelspannungsnetz, das eine Wechselspannung mit der Amplitude ÜNetz an einer Primärseite 32. P des Transformators 32 bereitstellt. Der Transformator 32 wandelt die primärseitig anliegende Wechselspannung in eine dreiphasige Wechselspannung mit der Amplitude Ün um, die an einer Sekundärseite 32. S des Transformators 32 und an dem AC-Anschluss 11 der Versorgungseinheit 10 anliegt.
Zwischen dem AC-Anschluss 11 und dem DC-Anschluss 12 der Versorgungseinheit 10 ist in Richtung von dem AC-Anschluss 11 zu dem DC-Anschluss 12 eine AC- Trenneinheit 2, ein AC/DC-Wandler 3 mit einem AC-Wandleranschluss 3.1 und einem DC-Wandleranschluss 3.2, eine Ausgangskapazität 4 und eine DC-Trenneinheit 5 angeordnet. Die DC-Trenneinheit 5 umfasst einen Vorladepfad mit einer Serienschaltung aus einem Vorladewiderstand 5.1 und einem Vorladeschalter 5.2. Parallel zu der Serienschaltung aus Vorladewiderstand 5.1 und Vorlageschalter 5.2 ist ein weiterer Schalter 5.3 angeordnet. Alternativ dazu ist es jedoch auch möglich, dass die DC-Trenneinheit 5 einen Gleichspannungswandler umfasst. Die Versorgungseinheit 10 umfasst einen ersten Spannungssensor 6, der ausgelegt ist, eine über der DC-Trenneinheit 5 abfallende DC-Spannung zu detektieren. Sie umfasst ferner einen zweiten Spannungssensor 7 zur Detektion einer über der AC-T renneinheit 2 abfallenden AC-Spannung. Beide Spannungssensoren 6, 7 sind mit der Steuerungseinheit 8 der Versorgungseinheit 10 verbunden. Die Steuerungseinheit 8 der Versorgungseinheit 10 ist steuerungstechnisch mit der AC-Trenneinheit 2 und der DC-Trenneinheit 5 verbunden. Die steuerungstechnischen Verbindungen sind in Fig. 1 über gestrichelt dargestellte Linien symbolisiert. Die Steuerungseinheit 8 ist ausgelegt, die AC-Trenneinheit 2 und die DC-Trenneinheit 5 in Abhängigkeit der über die Spannungssensoren 6,7 detektierten Spannungen zu steuern. Sie ist weiterhin zudem ausgelegt, den AC/DC-Wandler 3 zu steuern. Der AC/DC-Wandler 3 weist eine transistorbasierte Brückenschaltung auf und ist in Bezug auf eine Richtung des Leistungsflusses bidirektional betreibbar. Konkret ist er ausgelegt, einerseits als Gleichrichter zu operieren und dabei eine an seinem AC-Wandleranschluss 3.1 anliegende AC-Spannung in eine an seinem DC-Wandleranschluss 3.2 und der damit verbundenen Ausgangskapazität 4 anliegende DC-Spannung UDC,4 ZU wandeln. Andererseits ist er ausgelegt, als Wechselrichter zu operieren und dabei eine an der Ausgangskapazität 4 und an seinem DC-Wandleranschluss 3.2 anliegende DC- Spannung UDC,4 in eine an seinem AC-Wandleranschluss 3.1 anliegende AC- Spannung zu wandeln. Er ist zudem in der Lage, kapazitive und induktive Blindleistung mit dem AC-Netz 30 auszutauschen.
Die Elektrolyseeinheit 20 beinhaltet einen Elektrolyseur 22, Hilfseinrichtungen zum Betreiben des Elektrolyseurs 23, 24, und eine Steuerungseinheit 25 zur Steuerung der Hilfseinrichtungen und gegebenenfalls des Elektrolyseurs 22. Die Hilfseinrichtungen können derart gesteuert werden, dass während jedes Betriebszustandes des Elektrolyseurs 22 (insbesondere während des Revers-Betrieb, der Betriebsumkehr und des Normal-Betriebs) die jeweils benötigten Medien und Umgebungsbedingungen zum Ablauf der elektrochemischen Reaktion innerhalb der Elektrolyseeinheit 20 verfügbar sind bzw. vorliegen. In Fig. 1 ist der Elektrolyseur 22 exemplarisch als ein auf Festoxid-Elektrolysezellen basierter Elektrolyseur (SOEC-Elektrolyseur) mit Festoxid-Elektrolysezellen (SOEC) dargestellt. Als Hilfseinrichtungen des SOEC- Elektrolyseurs sind in Fig. 1 exemplarisch eine Gasversorgungseinrichtung 23 zur Zufuhr und/oder Abfuhr der für die chemische Reaktion erforderlichen Medien (Edukte und Produkte), sowie eine Heizeinrichtung 23 zum Aufheizen der Elektrolysezellen des Elektrolyseurs 22 und/oder der zugeführten Medien illustriert. Dabei werden die Gasversorgungseinrichtung 23 und die Heizeinrichtung 24 über die sekundärseitig von dem Transformator 32 erzeugte AC-Spannung der Amplitude Ün versorgt, die auch an dem AC-Anschluss 11 der Versorgungseinheit 10 anliegt. Die Elektrolyseeinheit 20 bzw. der Elektrolyseur 22 ist elektrisch über einen Anschluss 21 mit dem DC- Anschluss 12 der Versorgungseinheit 10 verbunden.
Die Elektrolyseanlage 50 kann weitere, in Fig. 1 nicht explitzit dargestellte und gegebenenfalls für eine Erläuterung der vorliegenden Erfindung nicht notwendige Komponenten beinhalten. Beispielsweise kann die Versorgungseinheit 10 ein Filter zur Dämpfung unerwünschter Störströme in das AC-Netz 30 beinhalten. Dabei kann das Filter Induktivitäten und damit verbundene Filterkapazitäten aufweisen und zum Beispiel zwischen der AC-T renneinheit 2 und dem AC/DC-Wandler 3 angeordnet sein. Auch wenn die Versorgungseinheit 10 in Fig. 1 exemplarisch als dreiphasige Versorgungseinheit ausgebildet ist, kann sie auch eine andere Anzahl von Phasenleitern bzw. Phasenleiteranschlüssen aufweisen. Dabei ist es auch möglich, dass sie als einphasige Versorgungseinheit ausgelegt ist. Bei dem AC-Netz 30 muss es sich nicht zwingend um eine Mittelspannungsnetz handeln. Vielmehr ist es auch möglich, dass das AC-Netz 30 einem Niederspannungsnetz entspricht. In einem derartigen Fall kann auch der Transformator 32 entfallen und die Versorgungseinheit 10 direkt mit dem AC-Netz 30 verbunden sein.
In Fig. 2 ist eine Ausführungsform des Verfahrens zum Betrieb der Elektrolyseanlage, beispielsweise der Elektrolyseanlage 50 aus Fig. 1 , in Form eines Flussdiagramms schematisch illustriert. Das Verfahren startet mit einem Schritt S1. Dabei ist zunächst der AC-Wandleranschluss 3.1 des AC/DC-Wandlers 3 über die geöffnete AC- Trenneinheit 2 von dem AC-Anschluss 11 der Versorgungseinheit 10 - und somit von dem AC-Netz 30 - getrennt. Auch der DC-Wandleranschluss 3.2 und die Ausgangskapazität 4 sind vom DC-Anschluss 12 der Versorgungseinheit 10 und damit von dem Anschluss 21 des Elektrolyseurs 22 über die geöffnete DC-Trenneinheit 5 getrennt (sowohl Vorladeschalter 5.2, als auch weiterer Schalter 5.3 sind geöffnet). In einem zweiten Schritt S2 wird der Elektrolyseur 22 über die Steuerungseinheit der Elektrolyseanlage 40, sowie die damit verbundene Steuerungseinheit der Elektrolyseeinheit 25 in seinen Revers-Betrieb versetzt. Bei dem Revers-Betrieb operiert der Elektrolyseur 22 unter Zufuhr geeigneter Medien als Brennstoffzelle und damit als DC-Quelle. Dabei werden die Elektrolysezellen, gegebenenfalls auch die zugeführten Medien, über die Fleizeinrichtung 24 erwärmt und die Medien den Elektrolysezellen des Elektrolyseurs 22 über die Gasversorgungseinrichtung 23 zugeführt. Dies ist möglich, da die Hilfseinrichtungen, hier: die Gasversorgungseinrichtung 23 und die Heizeinrichtung 24, über die an der Sekundärseite des Transformator 32. S anliegende AC-Spannung versorgt werden. In dem Revers-Betrieb wird an dem Anschluss 21 des Elektrolyseurs 22 eine DC- Spannung generiert, die auch an dem DC-Anschluss 12 der Versorgungseinheit 10 anliegt. In einem dritten Schritt S3 wird der Vorladeschalter 5.2 der DC-Trenneinheit 5 geschlossen, wodurch in einem vierten Schritt S4 die Ausgangskapazität 4 über einen durch den Vorladewiderstand 5.1 begrenzten Strom aufgeladen wird. Die Aufladung der Ausgangskapazität 4 erfolgt hier zumindest auf einen Wert, der der doppelten Amplitude Ün der an dem AC-Anschluss 11 anliegenden AC-Spannung beträgt. Dabei kann bei Unterschreiten eines Schwellwertes der über die DC-Trenneinheit 5 abfallenden DC-Spannung der weitere Schalter 5.3 der DC-Trenneinheit 5 geschlossen und der Elektrolyseur 22 niederohmig mit dem DC-Wandleranschluss 3.2 und der Ausgangskapazität 4 verbunden werden. In einem fünften Schritt S5 wird über eine entsprechende Taktung des AC/DC-Wandlers 3, die von der Steuerungseinheit 8 gesteuert wird, eine AC-Spannung mit einer Amplitude erzeugt, die zumindest näherungsweise der Amplitude Ün entspricht. Weiterhin wird die von dem AC/DC- Wandler 3 generierte AC-Spannung sowohl hinsichtlich ihrer Amplitude als auch hinsichtlich ihrer Phasenlage mit der an dem AC-Anschluss 11 anliegenden AC- Spannung synchronisiert. Ein Verlauf der Synchronisation kann dabei mittels des ersten Spannungssensors 7 beobachtet werden, der die an beiden Anschlüssen der AC-Trenneinheit 2 anliegenden AC-Spannungen detektiert und diese der Steuerungseinheit 8 übergibt. Während des Verlaufs der Synchronisation ist die DC- Trenneinheit 5 geschlossen, so dass eine Verlustleistung des AC/DC-Wandlers 3, die der Ausgangskapazität 4 entnommen wird, seitens des in dem Revers-Betrieb operierenden Elektrolyseurs nachfließen und somit kompensiert werden kann. Die an der Ausgangskapazität 4 anliegende DC-Spannung UDC,4 kann somit konstant gehalten werden. Bei hinreichender Synchronisation wird in einem sechsten Schritt S6 die AC-Trenneinheit 2 geschlossen, was aufgrund der Synchronisation nahezu stromlos und somit schonend für die AC-Trenneinheit 2 erfolgen kann. Da bei geschlossener AC-T renneinheit 2 eine Wiederaufladung der Ausgangskapazität 4 aus dem AC Netz 30 gewährleistet ist, kann in einem siebten Schritt S7 die DC- Trenneinheit 5 (hier: Vorladeschalter 5.2 und weiterer Schalter 5.3) geöffnet werden, wodurch der Elektrolyseur 22 von dem DC-Wandleranschluss 3.2 und der Ausgangskapazität 4 galvanisch getrennt wird. Der siebte Schritt S7 ist ein lediglich optionaler Schritt, was in Fig. 2 über eine gestrichelt dargestellte Umrahmung symbolisiert ist. Er ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn absehbar ist, dass mit der Betriebsumkehr eine signifikante Verringerung der an dem Anschluss des Elektrolyseurs 22 anliegenden DC-Spannung UDC.EL verbunden ist, so dass diese unter einen Gleichrichtwert des mit dem AC-Netz 30 verbundenen AC/DC-Wandlers 3 fallen kann. In einem achten Schritt S8 erfolgt eine Betriebsumkehr des Elektrolyseurs 22, die über die zentrale Steuerungseinheit 40 der Elektrolyseanlage 50 in Verbindung mit der Steuerungseinheit 25 der Elektrolyseeinheit 20 gesteuert wird. Die Betriebsumkehr des Elektrolyseurs 22 von seinem Revers-Betrieb als Brennstoffzelle BZ zu seinem Normal-Betrieb als Elektrolyseur EL kann in einem Zustand erfolgen, bei dem der Elektrolyseur 22 von dem DC-Wandleranschluss 3.2 und der Ausgangskapazität 4 galvanisch getrennt ist. Bei geöffneter DC-Trenneinheit 5 kann in einem optionalen neunten Schritt S9 eine sich an dem Anschluss 21 des Elektrolyseurs 22 ausbildende Leerlaufspannung als DC-Spannung UDC.EL der an der Ausgangskapazität 4 anliegenden DC-Spannung UDC,4 angenähert (synchronisiert) werden. Bei erfolgter Annäherung bzw. Synchronisation der beiden DC-Spannungen UDC.EL und UDC,4 kann dann in einem optionalen zehnten Schritt S10 die DC-Trenneinheit 5 geschlossen werden, wodurch der DC-Wandleranschluss 3.2 des AC/DC-Wandlers niederimpedant mit dem Elektrolyseur 22 verbunden wird. Beim Schließen der DC-Trenneinheit 5 kann je nach Art der erfolgten Synchronisation zunächst lediglich der Vorladeschalter 5.2 und erst danach der weitere Schalter 5.3 geschlossen werden. Bei hinreichend kleiner Spannungsdifferenz der DC-Spannungen kann jedoch auf ein sequentielles Schließen des Vorladeschalters 5.1 und des weiteren Schalters 5.3 verzichtet werden und direkt der weitere Schalter 5.3 geschlossen werden. Der neunte und der zehnte Schritt S9,
510 sind nur dann erforderlich, wenn in dem fünften Schritt S5 die DC-Trenneinheit auch geöffnet wurde. Entsprechend ist ihre optionale Eigenschaft in Fig. 2 ebenfalls durch eine gestrichelt dargestellte Umrahmung symbolisiert. In einem elften Schritt
511 nimmt der Elektrolyseur 22 gesteuert durch die zentrale Steuerungseinheit 40 in Verbindung mit den Steuerungseinheiten 8, 25 von Versorgungseinheit 10 und Elektrolyseeinheit 20 seinen Normal-Betrieb auf, bei dem die elektrolytische Zersetzung von Wasser H2O in seine Bestandteile Sauerstoff O2 und Wasserstoff H2 erfolgt. Das Flussdiagramm in Fig. 2 wurde am Beispiel der Elektrolyseanlage 50 aus Fig. 1 erläutert, bei der die DC-Trenneinheit 5 eine einen Vorladewiderstand 5.1 aufweisende Vorladeeinheit umfasst. Das Flussdiagramm ist jedoch in leicht modifizierter Form auch auf eine DC-Trenneinheit übertragbar, die als Vorladeeinheit für die Ausgangskapazität 4 einen von dem Elektrolyseur 22 in Richtung der Ausgangskapazität 4 tiefsetzenden DC/DC-Wandler aufweist. Konkret würde dann in dem dritten Schritt S3 der zuvor deaktivierte DC/DC-Wandler aktiviert, in dem siebten Schritt S7 deaktiviert und in dem zehnten Schritt S10 wieder aktiviert und gegebenenfalls über einen parallel den DC/DC-Wandler überbrückenden Schalter niederohmig gebrückt.
In Fig. 3a wird der Revers-Betrieb des Festoxid-Elektrolyseurs 22 aus Fig. 1 detailliert beschrieben, wobei die in den Festoxid-Elektrolysezellen des SOEC-Elektrolyseurs 22 ablaufenden Prozesse schematisch illustriert sind. In dem Revers-Betrieb operiert der Elektrolyseur als DC-Quelle und erzeugt an seinen Anschlüssen 304, 305, die denen des Anschlusses 21 aus Fig. 1 entsprechen, eine DC-Spannung. Mit der DC- Spannung lässt sich eine DC-Last 310 versorgen, welche in Fig. 3a gestrichelt dargestellt ist. Im Rahmen des mit Bezug auf Fig. 1 und Fig. 2 beschriebenen Verfahrens wird die DC-Last 310 hauptsächlich durch die aufzuladende Ausgangskapazität 4 und/oder den Vorladewiderstand 5.1 der DC-Trenneinheit 5 gebildet.
In dem Revers-Betrieb wird an Kathoden 303 der Elektrolysezellen ein Sauerstoff haltiges Gas, z.B. aus der Umgebung entnommene und gefilterte Luft, sowie an Anoden 301 der Elektrolysezellen Wasserstoff H2 als Brenngas bereitgestellt. Die Wasserstoffmoleküle H2 werden dabei an den Anoden 301 unter Elektronenabgabe an die Anoden 301 zunächst zu positiv geladenen Wasserstoff-Ionen FT oxidiert. Die Elektronen fließen über die außen angeschlossene DC-Last 310 zu den Kathoden. An den Kathoden 303 werden die dort vorhandenen, aus der Luft bereitgestellten Sauerstoffmoleküle O2 unter Aufnahme von jeweils zwei Elektronen e- zu zweifach negativ geladenen Sauerstoff-Ionen O2 reduziert. Die negativ geladenen Sauerstoff- Ionen O2 diffundieren aufgrund des Konzentrationsgefälles durch einen Elektrolyten 302 der Elektrolysezellen in Richtung der Anoden 301 , wo sie mit den dort vorhandenen positiv geladenen Wasserstoff-Ionen FT zu molekularem Wasser FI2O reagieren. Das Wasser FI2O wird in Form von Wasserdampf zusammen mit den an den Anoden 301 vorhandenen Restgasen (z.B. unverbrauchtes Brenngas) abgepumpt bzw. durch das zugeführte Brenngas von den Anoden 301 weggespült. Auf der Seite der Kathoden 303 wird die verbrauchte, Sauerstoff-abgereicherte Luft durch die zugeführte Luft von den Kathoden 303 weggespült. Es ergeben sich so an den Anoden 301 und Kathoden 303 die in der Tabelle in Fig. 3a dargestellten chemischen Teilreaktionen:
Anode: H2 + O2 => H2O + 2 e-
Kathode: O2 + 4e_ => 2 O2-
In Fig. 3b ist der Normal-Betrieb des SOEC-Elektrolyseurs 22 zusammen mit den in den Elektrolysezellen ablaufenden Prozessen dargestellt. Im Normal-Betrieb ist der Elektrolyseur 22 über die geschlossene DC-Trenneinheit 5 niederohmig mit dem DC- Wandleranschluss 3.2 und der Ausgangskapazität 4 verbunden. Auch die AC- Trenneinheit 2 der Versorgungseinheit 10 ist geschlossen und der AC/DC-Wandler 3 operiert als Gleichrichter, der elektrische Leistung dem AC-Netz 30 entnimmt und die gleichgerichtete elektrische Leistung dem Elektrolyseur 22 zur Durchführung der Elektrolysereaktion zur Verfügung stellt.
Im Normal-Betrieb operiert der Elektrolyseur 22 als eine DC-Last, die von der Versorgungseinheit 10, insbesondere deren AC/DC-Wandler 3 elektrisch versorgt wird. Hierzu ist die Kombination aus AC-Netz 30, AC/DC-Wandler 3 und Ausgangskapazität 4 in Fig. 3c durch die mit den Anschlüssen 304, 305 verbundene und gestrichelt dargestellte DC-Quelle 311 symbolisiert.
Im Normal-Betrieb des Elektrolyseurs 22 wird an den Kathoden 303 Wasser H2O in Form von Wasserdampf bereitgestellt. Die Wassermoleküle werden dort in positiv geladene Wasserstoff-Ionen H+ und zweifach negativ geladene Sauerstoff-Ionen O2 aufgespalten. Die positiv geladenen Wasserstoff-Ionen H+ werden unter Elektronenaufnahme zu molekularem Wasserstoff H2 reduziert, die zweifach negativ geladenen Sauerstoff-Ionen O2 diffundieren - angetrieben durch ein Konzentrationsgefälle und das sich in den Elektrolysezellen über die DC-Quelle 311 aufgeprägte elektrische Feld - in Richtung der Anoden 301. An den Anoden 301 angekommen, werden sie dort unter Elektronenabgabe zu molekularem Sauerstoff O2 oxidiert. Der an der Anode abgeschiedene Sauerstoff kann durch die Zuführung von z.B. aus der Umgebung entnommene und gefilterte Luft aus dem System gespült werden. Auf der Kathodenseite nicht verbrauchter Wasserdampf wird zusammen mit dem erzeugten Wasserstoff durch den nachgeführten Wasserdampf von der Kathode weggespült und kann in einem nachfolgenden Schritt thermisch und/oder stofflich recycelt werden. Anstatt Wasserstoff als Brenngas im Revers-Betrieb wird im Normal- Betrieb Wasserdampf als „Brenngas“ zugeführt. Auf der Luftseite kann weiterhin Luft herangeführt werden, um die Sauerstoffkonzentration an der Oberfläche des Elektrolyten 302 einzustellen. Im Normal-Betrieb ergeben sich so die in der Tabelle in Fig. 3c dargestellten Teilreaktionen:
Anode: 2 O2 => 02 + 4 e-
Kathode: 2 H20 + 4 e => 2 H2 + 2 O2
Eine Geschwindigkeit der Elektrolysereaktion - und damit die elektrolytische Erzeugungsrate von Wasserstoff H2, kann unter anderem über den AC/DC-Wandler 3 der Versorgungseinheit 10 geregelt beziehungsweise eingestellt werden.
Die Vorzeichen der an Anode und Kathode anliegenden Spannungen kehren sich von Fig. 3a zu Fig. 3b um. Zusätzlich wird jedoch diejenige Elektrode, die im Revers- Betrieb die Anode ausbildet, aufgrund der dort im Normal-Betrieb ablaufenden Reduktion zur Kathode im Normal-Betrieb. Umgekehrt wird diejenige Elektrode, die im Revers-Betrieb die Kathode darstellt, aufgrund der in dem Normal-Betrieb ablaufenden Oxidation zur Anode im Normal-Betrieb. In Summe bleiben die Vorzeichen der an den jeweiligen Elektroden anliegenden DC-Spannungen bei dem Wechsel von dem Revers-Betrieb in den Normal-Betrieb unverändert. Bei dem Übergang vom Revers- Betrieb in den Normal-Betrieb kann, die DC-Trenneinheit 5 der Versorgungseinheit 10 geöffnet werden. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich.
Bezuqszeichenliste
AC-Trenneinheit
AC/DC-Wandler .1 AC-Wandleranschluss .2 DC-Wandleranschluss
Ausgangskapazität
DC-Trenneinheit .1 Vorladewiderstand .2 Vorladeschalter .3 Schalter , 7 Spannungssensoren
Steuerungseinheit (der Versorgungseinheit)0 Versorgungseinheit 1 AC-Anschluss 2 DC-Anschluss 0 Elektrolyseeinheit 1 Anschluss 2 Elektrolyseur 3 Gasversorgungseinrichtung 4 Heizeinrichtung 5 Steuerungseinheit (der Elektrolyseeinheit)0 AC-Netz 1 Netzanschlusspunkt 2 Transformator 2. P Primärseite 2. S Sekundärseite 0 Steuerungseinheit 0 Elektrolyseanlage 01 Anode 02 Elektrolyt 03 Kathode 304, 305 Anschluss
310 DC-Last
311 DC-Quelle
S1-S11 Verfahrensschritt

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Aufstarten einer Elektrolyseanlage (50) umfassend einen Elektrolyseur (22) und eine als Gleichrichter operierende Versorgungseinheit (10), wobei die Versorgungseinheit (10) einen mit einem AC-Netz (30) verbundenen AC-Anschluss (11), einen mit dem Elektrolyseur (22) verbundenen DC-Anschluss (12) und einem zwischen dem AC-Anschluss (11) und dem DC-Anschluss (12) angeordneten AC/DC-Wandler (3) aufweist, mit den Schritten:
- Aufladen einer mit einem DC-Wandleranschluss (3.2) des AC/DC-Wandlers (3) verbundenen Ausgangskapazität (4) durch Betreiben des Elektrolyseurs (22) in einem Revers-Betrieb als DC-Spannungsquelle in einem mit dem Elektrolyseur (22) verbundenen und von dem AC-Netz (30) getrennten Zustand des AC/DC- Wandlers (3),
- Verbinden des AC/DC-Wandlers (3) mit dem AC-Netz (30),
- Betriebsumkehr des Elektrolyseurs (22) von dem Revers-Betrieb in einen Normal-Betrieb als DC-Last, wobei bei der Betriebsumkehr ein Leistungsfluss zwischen dem AC-Netz (30) und dem Elektrolyseur (22) vollständig oder zumindest weitgehend unterdrückt wird, und
- Betreiben des Elektrolyseurs (22) in dem Normal-Betrieb als DC-Last mit einer über die Versorgungseinheit (10) aus dem AC-Netz (30) entnommenen und über den AC/DC-Wandler (3) gleichgerichteten elektrischen Leistung.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Ausgangskapazität (4) auf eine DC- Spannung UDC,4 aufgeladen wird, deren Wert zumindest einem Gleichrichtwert, bevorzugt zumindest einer einfachen Amplitude Ün, besonders bevorzugt zumindest einer zweifachen Amplitude Ün der an dem AC-Anschluss (11) anliegenden AC-Spannung entspricht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei vor dem Verbinden des AC/DC- Wandlers (3) mit dem AC-Netz (30) eine AC-Spannung von dem AC/DC-Wandler (3) generiert und mit einer an dem AC-Anschluss (11 ) der Versorgungseinheit (10) anliegenden AC-Spannung synchronisiert wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei für die Betriebsumkehr ein Trennen des AC/DC-Wandlers (3) von dem Elektrolyseur (22) erfolgt, die Betriebsumkehr des Elektrolyseurs (22) von dem Revers-Betrieb in den Normal-Betrieb in einem von dem AC/DC-Wandler (3) getrennten Zustand des Elektrolyseurs (22) erfolgt, und wobei nach erfolgter Betriebsumkehr der AC/DC- Wandler (3) mit dem Elektrolyseur (22) wieder verbunden wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der AC/DC-Wandler (3) über eine niederimpedante Verbindung und eine hochimpedante Verbindung mit dem Elektrolyseur (22) verbindbar ist, und wobei für die Betriebsumkehr ein Trennen der niederimpedanten Verbindung des AC/DC-Wandlers (3) von dem Elektrolyseur (22) erfolgt, die Betriebsumkehr des Elektrolyseurs (22) von dem Revers-Betrieb in den Normal-Betrieb in einem getrennten Zustand der niederimpedanten Verbindung zwischen dem AC/DC-Wandler (3) und dem Elektrolyseur (22) erfolgt, und wobei nach erfolgter Betriebsumkehr der AC/DC- Wandler (3) mit dem Elektrolyseur (22) wieder niederimpedant verbunden wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei das Trennen des AC/DC-Wandlers (3) von dem Elektrolyseur (22) oder das Trennen der niederimpedanten Verbindung zwischen dem AC/DC-Wandler (3) und dem Elektrolyseur (22) erst dann erfolgt, wenn der AC/DC-Wandler (3) mit dem AC-Netz (30) verbunden ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein eine DC-Spannung UDC.EI > 0V aufweisender Anschluss (21) des Elektrolyseurs (22) über einen Vorladewiderstand (5.1) oder über einen Gleichspannungswandler mit der Ausgangskapazität (4) verbunden wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Elektrolyseur (22) in einem zumindest weitgehend spannungsfreien Zustand seines Anschlusses (21) UDC.EL « 0V mit der Ausgangskapazität (4) der Versorgungseinheit (10) verbunden wird, und in einem mit der Versorgungseinheit (10) verbundenen Zustand in den Revers-Betrieb versetzt wird.
9. Elektrolyseanlage (50) mit einer einen Elektrolyseur (22) umfassenden Elektrolyseeinheit (20) und einer den Elektrolyseur (22) aus einem AC-Netz (30) speisenden Versorgungseinheit (10), wobei die Versorgungseinheit (10)
- einen AC-Anschluss (11 ) zum Anschluss eines AC-Netzes (30),
- einen DC-Anschluss (12) zum Anschluss des Elektrolyseurs (22), - einen zwischen dem AC-Anschluss (11) und dem DC-Anschluss (12) angeordneten AC/DC-Wandler (3),
- eine AC-Trenneinheit (2) zum Verbinden eines AC-Wandleranschlusses (3.1) des AC/DC-Wandlers (3) mit dem AC Anschluss (11), und
- eine DC-Trenneinheit (5) zum Verbinden eines DC-Wandleranschlusses (3.2) des AC/DC-Wandlers (3) mit dem DC-Anschluss (12) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolyseanlage (50)
- zudem eine Steuerungseinheit (40) zur Steuerung der Elektrolyseanlage (50) umfasst und
- zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche eingerichtet ist.
10. Elektrolyseanlage (50) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungseinheit (10) frei von einer AC-seitigen Vorladeeinheit, insbesondere einem AC-seitigen Vorladewiderstand ist.
11. Elektrolyseanlage (50) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die DC-Trenneinheit (5) der Versorgungseinheit (10) eine Serienschaltung aus einem Vorladewiderstand (5.1) und einem Vorladeschalter (5.2) und einen parallel zu der Serienschaltung angeordneten Schalter (5.3) beinhaltet, oder dass die DC- Trenneinheit (5) einen Gleichspannungswandler und optional einen parallel zu dem Gleichspannungswandler angeordneten Schalter beinhaltet.
12. Elektrolyseanlage (50) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungseinheit (10) Spannungssensoren (6, 7) aufweist, die zur Detektion einer über die AC-Trenneinheit (2) abfallenden AC- Spannung und/oder einer über die DC-Trenneinheit (5) abfallenden DC-Spannung ausgelegt sind.
13. Elektrolyseanlage (50) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (40) als separate Steuerungseinheit (40) ausgebildet ist, die zur Steuerung der Versorgungseinheit (10) als auch der Elektrolyseeinheit (20) ausgelegt ist, oder dass die Steuerungseinheit (40) zumindest teilweise in eine Steuerung (8) der Versorgungseinheit (10) und/oder eine Steuerung (25) der Elektrolyseeinheit (20) integriert ist.
14. Elektrolyseanlage (50) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der AC/DC-Wandler (3) eine transistorbasierte Brückenschaltung aufweist.
15. Elektrolyseanlage (50) nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungseinheit (10) ein passives Filter, insbesondere ein LC-Filter oder ein LCL-Filter zur Filterung taktfrequenter Störströme aufweist.
16. Elektrolyseanlage (50) nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der AC/DC-Wandler (3) für einen bidirektionalen Leistungsfluss ausgelegt ist.
17. Elektrolyseanlage (50) nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyseur als ein Festoxid-Elektrolyseur oder als ein PEM-Elektrolyseur ausgebildet ist und eingerichtet ist, elektrische Energie aus einem chemischen Energieträger im Revers-Betrieb bereitzustellen.
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