EP4334499A1 - Offshore-elektrolyseanlage sowie verfahren zum betrieb einer offshore-elektrolyseanlage - Google Patents

Offshore-elektrolyseanlage sowie verfahren zum betrieb einer offshore-elektrolyseanlage

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EP4334499A1
EP4334499A1 EP22727834.8A EP22727834A EP4334499A1 EP 4334499 A1 EP4334499 A1 EP 4334499A1 EP 22727834 A EP22727834 A EP 22727834A EP 4334499 A1 EP4334499 A1 EP 4334499A1
Authority
EP
European Patent Office
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offshore
electrolysis
coolant
heat exchanger
heat
Prior art date
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Application number
EP22727834.8A
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English (en)
French (fr)
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EP4334499C0 (de
EP4334499B1 (de
Inventor
Marc Hanebuth
Michel Suermann
Dan Taroata
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Publication date
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Publication of EP4334499B1 publication Critical patent/EP4334499B1/de
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/02—Process control or regulation
    • C25B15/021—Process control or regulation of heating or cooling
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/60—Constructional parts of cells
    • C25B9/67—Heating or cooling means
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type

Definitions

  • the invention relates to an offshore electrolysis plant and a method for operating an offshore electrolysis plant.
  • An electrolysis system is a device that uses electricity to convert substances (electrolysis).
  • electrolysis electrolysis
  • electrolysis systems such as an electrolysis system for water electrolysis.
  • Hydrogen is now generated from water, for example by means of proton exchange membrane (PEM) electrolysis or alkaline electrolysis.
  • PEM proton exchange membrane
  • the electrolysis systems use electrical energy to produce hydrogen and oxygen from the water supplied. This process takes place in an electrolysis stack composed of several electrolysis cells.
  • water is introduced as the educt, with two fluid flows consisting of water and gas bubbles (O 2 or H 2 ) exiting after passing through the electrolysis cells.
  • a resource can be hydrogen, in particular, which is generated by water electrolysis systems.
  • so-called EE gas can be produced using hydrogen.
  • renewable gas is a combustible gas that is obtained from renewable sources using electrical energy.
  • Hydrogen is a particularly environmentally friendly and sustainable energy source. It has the unique feature Potential to realize energy systems, traffic and large parts of the chemical industry without CCd emissions. For this to succeed, however, the hydrogen must not come from fossil sources, but must be produced with the help of renewable energy.
  • offshore electrolysis systems In offshore electrolysis systems, special attention must be paid to avoiding corrosion, because the presence of salt water can lead to significantly higher corrosion rates, which endangers longer uninterrupted operation of an electrolysis system.
  • offshore electrolysis plants can be equipped with electrolysers and housed within closed housings, the containers. As a result, a certain degree of protection from external environmental influences can be achieved for the electrolyser. However, for operational reasons, the electrolyser has to be cooled in order to dissipate the waste heat from the electrolysis process to the environment.
  • Efficient cooling and use of waste heat from an onshore electrolysis plant is described, for example, in EP 2623 640 A1 described.
  • the efficiency of an electrolyser for generating hydrogen and oxygen by separating water is increased by storing waste heat generated in the electrolyser in a heat transfer medium, feeding the heat transfer medium to a water treatment plant and using the waste heat to produce deionized water from raw water in the water treatment plant will.
  • the heat transfer medium is circulated in a closed circuit between the electrolyser and the water treatment system.
  • a respective heat exchanger ensures that the heat is absorbed and dissipated from the housing of the electrolysis system as well as a corresponding heat transfer and supply to the water treatment system.
  • a further object is to specify a method for operating an offshore electrolysis plant.
  • an offshore electrolysis system comprising an electrolyzer arranged in a container and a heat exchanger which absorbs heat and dissipates process heat from the electrolysis is designed in a closed coolant circuit from the container, wherein a coolant pump for pumping the coolant in the coolant circuit is arranged in the container.
  • the object directed to a method for operating an offshore electrolysis system is solved according to the invention by a method for operating an offshore electrolysis system with an electrolyzer arranged in a container, in which medium for absorbing heat and dissipating process heat from the electrolysis from the container is guided in a closed coolant circuit, with a coolant pump arranged in the container being operated.
  • the invention is based on the knowledge that the more powerful offshore wind turbines that are being installed and their growing electrical generation capacity require correspondingly more powerful electrolytic systems. It is therefore expected that the performance class of an offshore electrolysis plant and their number will increase significantly in the future. The associated increasing requirements for safe and environmentally friendly operation in the maritime environment must be taken into account. Due to the scaling efforts towards larger offshore electrolysis plants, the question of environmental compatibility is moving into the focus of the discussion. Here, an operation that is as intrusive as possible from an environmental point of view is to be guaranteed. The solution to the cooling task for operation is therefore of particular importance with simultaneous operational reliability and performance of the offshore electrolysis system.
  • the offshore electrolysis plant according to the invention recognizes and overcomes here for the first time the disadvantages of conventional open cooling approaches for the cooling medium.
  • a coolant pump for promoting the coolant is arranged in the offshore electrolysis plant in the coolant circuit.
  • the coolant pump is designed according to the cooling capacity.
  • the coolant pump is therefore housed in the container itself, approximately in the vicinity of the electrolyzer to be cooled in the offshore electrolysis plant.
  • a fixed coupling is also possible here by tightly flanging the coolant pump directly to the container, for example from the outside, so that an integral housing unit of the coolant pump is then formed with the container.
  • the protection and cooling concept should therefore be understood within the scope of the invention in such a way that even if the coolant pump is flanged, screwed on or otherwise directly coupled to the container, the electrolyser and the coolant pump are seen as being housed in the same container, with a housing unit is formed. This is for maintenance and revision purposes on the coolant pump particularly advantageous because, if necessary, easier access to the coolant pump from the outside is possible. As a result, the particularly sensitive devices such as in particular the electrolyser, the heat exchanger and the coolant pump are protected for offshore use and the offshore electrolysis system is made up accordingly for offshore operation in a special way.
  • a heat exchanger with a correspondingly large heat exchanger surface is provided in the closed coolant circuit for the heat dissipation of the process heat absorbed by the coolant, which heat exchanger can be immersed in the sea.
  • the invention thus provides for the use of seawater as a heat sink in an almost large reservoir in front of the cooling medium, with only the heat being emitted by the heat exchanger immersed in the sea with a closed cooling circuit.
  • the intervention of this construction from environmental point of view is low, especially since a material decoupling of coolant and sea water is provided.
  • pivoting devices and/or hoists are provided on the offshore electrolysis plant, which enable corresponding movements of the heat exchanger such as immersion or lifting.
  • the generally relatively large exchange surface for the large-area heat exchanger can advantageously be dimensioned and constructively designed for the necessary cooling capacity by means of a corresponding thermal engineering design.
  • the heat exchanger in particular the large-area heat exchanger, has a pipe that is designed with ribs and/or fins on the coolant-carrying pipe outer surface and/or is guided in a large number of pipe bends.
  • the heat exchanger can be designed as a meandering tube and/or tube provided with fins.
  • the volume flow of the coolant can be divided over several parallel pipes in order to obtain a larger heat exchange surface.
  • the pipeline in particular the pipeline bundle, is made of steel, preferably a corrosion-resistant stainless steel.
  • the pipeline in particular the pipeline bundle, also advantageously has an anti-corrosion layer on the outer surface.
  • the large-area heat exchanger immersed in seawater can be made of steel. Similar to ships, however, measures should preferably be taken to counteract corrosion, such as cathodic corrosion protection or the use of a sacrificial anode. Simple protective coatings, on the other hand, could reduce the desired heat transfer and are therefore not recommended unless the protective coating is adapted and suitable with regard to the influence on the heat transfer to be achieved.
  • fouling This contamination of heat exchangers and heat exchangers, known as "fouling", and the resulting cleaning are always a challenge for the company.
  • responsible for the different deposits are water with a high salt content, high temperatures and contamination in the water - as well as the cooling capacity of a heat exchanger The harder and thicker the deposits become, the poorer the heat transfer.
  • the anti-corrosion layer has titanium. It can also be made of titanium. In a preferred embodiment, it is also possible to use pipelines made of titanium overall for the large-area heat exchanger.
  • Titanium shows very good corrosion resistance to seawater.
  • suitable insulators to separate the materials. Otherwise there is the potential that so-called local elements form, which can cause corrosion.
  • Local elements are generally small-scale corrosion elements (or contact elements) that are hardly visible to the naked eye. Local elements can form at points of contact between two different metals as a result of the effects of moisture, for example caused by aerosols, and often cause considerable corrosion there.
  • the large-area heat exchanger is arranged in a frame which includes the heat exchanger and holds the heat exchanger in position by means of fastenings for the respective operating state.
  • a modular structure is realized with a module comprising the heat exchanger and the frame as a structural unit and auxiliary attachments, such as connections or flange connections for the pipelines for connection to the container of the offshore electrolysis plant.
  • the heat exchanger that can be immersed in the seawater is housed in the frame, which preferably has the dimensions of a standard container in the logistics industry. This makes it particularly easy to transport the heat exchanger and, if necessary, to replace it after a certain operating time, which is advantageous for maintenance and service purposes.
  • the frame with the large-area heat exchanger is therefore preferably fastened in such a way that, if necessary, it can be guided out or tilted out of the seawater.
  • the frame with the large-area heat exchanger can preferably be tilted out via a rotatable attachment. It is particularly useful and advantageous to construct the large-area heat exchanger immersed in the seawater in such a way that it can be "folded out” or tilted out of the water with simple means, for example with the help of a cable winch. This can preferably be done by a rotatable or rotating - Be realized / tiltable fastening device on the frame.
  • the possibility of folding the large-area heat exchanger out of the seawater is a particularly advantageous design development, especially given the requirements in the offshore area for an offshore electrolysis plant.
  • Alternative pipe routings for the heat exchanger are conceivable, which do not require the removal of pipe sections to fold out the heat exchanger.
  • the frame can be tilted around the heat exchanger via the rotatable attachment. With a corresponding flange connection for the flow and the return, which are attached and aligned exactly on the corresponding axis of rotation, only the flange needs to be opened and fitted with dummy disks to fold it out.
  • hoses or bellows systems or combinations of these line elements as a connection to the container with the electrolyser in order to allow it to be folded up or tilted out without a pipeline having to be loosened, cut open or closed.
  • hoses can also be made of suitable plastic.
  • the offshore electrolysis system is designed with a connection unit for feeding in electrical current from an offshore wind turbine.
  • the offshore electrolysis system according to the invention is installed on an offshore platform in the sea.
  • Disused oil or gas platforms such as those found in abundance in the North Sea, for example, could serve as the basis for such wind power electrolysis.
  • the hydrogen produced there could then be conveniently routed to onshore power plants via the existing natural gas pipelines.
  • a coolant is guided in a closed coolant circuit for absorbing heat and dissipating process heat from the electrolysis from the container, with a coolant pump arranged in the container being operated .
  • a coolant pump arranged in the container is in principle also understood to mean a fixed coupling by tightly flange-mounting the coolant pump directly to the container from the outside, so that a housing unit of the coolant pump is then formed with the container.
  • this should be understood to mean that even when the coolant pump is flanged on or coupled the container, the electrolyzer and the coolant pump are housed in the same container, with a housin segnac being formed.
  • heat is transferred from the coolant heated by the process heat to sea water and the coolant cools as a result.
  • a damaging ingress of seawater into the coolant circuit is preferably monitored.
  • a corresponding sensor for detecting leaks in the coolant circuit can be applied and used.
  • a measurement of the electrical conductivity is preferably carried out using a conductivity sensor, which reacts correspondingly sensitively to a salt content caused by seawater, so that an undesired intrusion of seawater is indicated and appropriate countermeasures can be taken.
  • seawater as a coolant in an open coolant circuit
  • Electrolysis system according to the invention with a closed coolant circuit
  • Electrolysis plant according to the invention.
  • FIG. 1 shows an electrolysis system 1a in which an electrolyzer, not shown in detail, for example a PEM or Al-potassium electrolyzer, is arranged in a container 2 or other housing.
  • the electrolyser is designed to generate hydrogen as a product from the electrolysis of water as a starting material.
  • the electrolysis system 1a has an air cooler 6 for cooling and heat dissipation of the process heat during the operation of the electrolyser.
  • a coolant circuit 3 ensures the circulation of a coolant, with a medium to be cooled being passed through a heat exchanger 4 with correspondingly large heat exchange surfaces to the atmosphere.
  • a coolant pump 5 delivers the coolant.
  • FIG. 2 shows an offshore electrolysis plant 1b, in which an electrolyzer (not shown in detail), for example a PEM or alkali electrolyzer, is arranged in a container 2.
  • the offshore electrolysis plant lb is arranged on a support structure 10, an offshore platform, which is located above sea level 11 and is anchored to the seabed.
  • An electrolyzer (not shown in detail), a coolant pump 5 and a heat exchanger (4) are provided in the container 2 .
  • Seawater is used as the coolant and for cooling purposes pumped to the heat exchanger 4 by means of the coolant pump 5 from the sea harnessge.
  • an intake socket 12 is provided under water in the suction line leading to the heat exchanger 4, in which the coolant pump 5 is inserted. builds is.
  • the coolant pump 5 As shown in FIG. 2, is to be arranged inside the container 2, if the difference in height is too great, it may even happen that the vapor pressure of the sea water has a limiting effect and cavitation occurs. In this case, even with the most powerful pumps, it would not be possible to suck in the seawater, which is very disadvantageous for efficient cooling operation. Alternatively, the pump would have to be placed closer to the water surface, where it may be more exposed to environmental influences and where access for maintenance and repairs would be more difficult.
  • the return line 13 is connected downstream of the heat exchanger (4).
  • the return line 13 submerges below sea level 11 and returns the heated seawater.
  • an open cooling concept has been implemented in the offshore electrolysis system lb, which uses seawater as a coolant and is not only disadvantageous from an environmental point of view in the maritime sector, but also with regard to operational safety and service life, which is explained below using a few selected aspects:
  • sea water is sucked in through the suction nozzle 12 , which is below sea level 11 , with the aid of the powerful coolant pump 5 and conveyed through the heat exchanger 4 .
  • the electrolyzer medium to be heated is conducted (not shown in FIG. 2), so that the heat is transferred directly to the seawater as a coolant.
  • the heated sea water is returned to the sea via return line 13 through an outlet port.
  • This cooling concept has disadvantages. In order to avoid blockages or defects in the coolant pump 5, it must be ensured that no larger foreign bodies or even marine life are sucked in. This can be done with complex filter systems, which can clog over time and therefore regularly need to be cleaned.
  • FIG. 3 shows an offshore electrolysis plant 20 according to the invention.
  • this electrolysis system 20 overcomes the disadvantages of the embodiments described in FIGS. 1 and 2 above.
  • the offshore electrolysis plant 20 shows a container 2 in which an electrolyzer, not shown in detail, for example a PEM or alkaline electrolyzer, is arranged.
  • the offshore electrolysis system 20 is arranged on a supporting structure 10, an offshore platform and designed for offshore use.
  • a closed coolant circuit 3 is implemented, with a large-area heat exchanger 21 being able to be installed in a flow-tight manner in the coolant circuit 3 via detachable pipes 23, so that during operation a coolant tel through the coolant pump 5 in a closed cooling medium circuit 3 can be guided.
  • the large-area pulpieritra ger 21 is arranged in a frame 22, fixed and positioned accordingly ready for use.
  • the structural unit consisting of frame 22 and large-area heat exchanger 21 is detachably fastened to the support structure 10 by means of fastening elements 24a, 24b.
  • the large-area heat exchanger 21 dives below sea level 11.
  • the 22 includes the heat exchanger 21 and holds the heat exchanger 21 in position for the respective operating state via the fastenings 24a, 24b.
  • the operating position of the large-area heat exchanger 21 with immersion in the sea water or inspection or maintenance positions can be adjusted flexibly.
  • a particularly efficient and heat sink is realized by the seawater, so that process heat from the electrolysis can be derived from the container (2) and the seawater can only be supplied via convection. Due to the closed coolant circuit (3), there is no damaging exchange of substances between the coolant circulated in the circuit and the seawater. These areas are fluidically separated from each other.
  • the heat exchanger 21 has a pipe which is equipped with ribs and/or fins on the coolant-carrying pipe outer surface and/or is guided in a large number of pipe bends. This specific and particularly advantageous embodiment is not illustrated in more detail in FIG. 3 for reasons of clarity.
  • the pipeline is made of steel and has an anti-corrosion layer on the outer surface.
  • the invention thus provides for the use of seawater as a heat mesenke in an almost unlimited reservoir as a cooling medium, with a closed coolant circuit (3) only the heat is transferred to the sea water by the heat exchanger (21) immersed in the sea and is given off to this.
  • a closed coolant circuit (3) only the heat is transferred to the sea water by the heat exchanger (21) immersed in the sea and is given off to this.
  • large cooling capacities for offshore electrolysis can be realized and large heat flows from high-performance offshore electrolysers can be transferred to the seawater via the coolant.
  • the impact of this construction from an environmental point of view is minimal, particularly since the coolant and seawater are materially decoupled.
  • the numerous problems described during operation are avoided, in particular because no seawater is sucked in and instead there is a closed coolant circuit 3 . No foreign bodies can be sucked in, no undesirable inorganic layers or biofouling can form inside the heat exchanger 21, which increases operational reliability.
  • the corresponding movements of the heat exchanger 21 such as immersion or lifting it possible. It is thus possible, if required, after a certain period of operation of the offshore electrolysis plant 20, to replace the heat exchanger 21 or to have it serviced.
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment in a particularly advantageous embodiment of an offshore electrolysis system 20 according to the invention.
  • the frame 22 with the heat exchanger 21 is fastened in such a way that, if necessary, it can be led out, tilted out or folded out of the sea water.
  • a rotatable attachment 24a of the structural unit, comprising the frame 22 with the large-area heat exchanger 21 on the structure 10 is provided.
  • This advantageous further development opens up the possibility of folding out the heat exchanger 21 flexibly from the seawater as required using a rotary mechanism, which makes handling considerably easier.
  • It alternative pipe routings for the heat exchanger are possible, which do not require the removal of the removable pipe sections 23--corresponding to the exemplary embodiment in FIG.
  • the offshore electrolysis plant according to FIG. 3 and FIG. 4 is equipped with a connection unit for feeding in electricity from an offshore wind turbine—not shown in detail.
  • An offshore wind turbine can be set up on the same support structure 10 together with the offshore electrolysis system 20 comprising the container 2, so that a direct electrical connection is possible, please include and a feed of electrolysis current generated by the offshore wind turbine.
  • the electrolyzer arranged in the container 2 is cooled in order to dissipate the process heat.
  • the coolant is performed for the heat absorption and dissipation of the process heat from the electrolysis from the container 2 in egg nem closed coolant circuit 3 and the Con tainer 2 with its internals, in particular the electrolytic seur, effectively cooled.
  • the closed coolant circuit 3 heat is transferred from the coolant heated by the process heat from the electrolysis to seawater, and the coolant is thereby cooled. A damaging penetration of seawater into the coolant circuit 3 or other undesired leaks in the coolant circuit are monitored.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Offshore-Elektrolyseanlage (20) umfassend einen in einem Container (2) angeordneten Elektrolyseur sowie einen Wärmeübertrager (4), welcher für die Wärmeaufnahme und Ableitung von Prozesswärme aus der Elektrolyse in einen geschlossenen Kühlmittelkreislauf (3) aus dem Container (2) ausgelegt ist. Dabei ist eine Kühlmittelpumpe (5) zur Förderung des Kühlmittels in dem Kühlmittelkreislauf (3) in dem Container (2) angeordnet. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb einer Offshore-Elektrolyseanlage (10) mit einem in einem Container (2) angeordneten Elektrolyseur, bei dem für die Wärmeaufnahme und Ableitung von Prozesswärme aus der Elektrolyse aus dem Container (2) Kühlmittel in einem geschlossenen Kühlmittelkreislauf (3) geführt wird, wobei eine in dem Container (5) angeordnete Kühlmittelpumpe (5) betrieben wird.

Description

Beschreibung
Offshore-Elektrolyseanlage sowie Verfahren zum Betrieb einer Offshore-Elektrolyseanlage
Die Erfindung betrifft eine Offshore-Elektrolyseanlage sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Offshore-Elektrolyseanlage.
Eine Elektrolyseanlage ist eine Vorrichtung, die mit Hilfe von elektrischem Strom eine Stoffumwandlung herbeiführt (Elektrolyse). Entsprechend der Vielfalt an unterschiedlichen elektrochemischen Elektrolyseprozessen gibt es auch eine Vielzahl von Elektrolyseanlagen, wie beispielsweise eine Elektrolyseanlage für eine Wasserelektrolyse.
Wasserstoff wird heutzutage beispielsweise mittels Proton Exchange Membrane (PEM)-Elektrolyse oder alkalischer Elektro lyse aus Wasser erzeugt. Die Elektrolyseanlagen produzieren mit Hilfe elektrischer Energie Wasserstoff und Sauerstoff aus dem zugeführten Wasser. Dieser Prozess findet in einem Elekt rolysestack, zusammengesetzt aus mehreren Elektrolysezellen, statt. In dem unter DC Spannung stehenden Elektrolysestack wird als Edukt Wasser eingebracht, wobei nach dem Durchlauf durch die Elektrolysezellen zwei Fluidströme, bestehend aus Wasser und Gasblasen (02 bzw. H2) austreten.
Aktuelle Überlegungen gehen dahin, mit überschüssiger Energie aus erneuerbaren Energiequellen in Zeiten mit viel Sonne und viel Wind, also mit überdurchschnittlicher Solarstrom- oder Windkrafterzeugung, Wertstoffe zu erzeugen. Ein Wertstoff kann insbesondere Wasserstoff sein, welcher durch Wasser- Elektrolyseanlagen erzeugt wird. Mittels Wasserstoffs kann beispielsweise sogenanntes EE-Gas hergestellt werden.
Ein EE-Gas ist ein brennbares Gas, welches mit Hilfe elektri scher Energie aus erneuerbaren Quellen gewonnen wird.
Wasserstoff stellt dabei einen besonders umweltffreundlichen und nachhaltigen Energieträger dar. Er hat das einzigartige Potential Energiesysteme, Verkehr und große Teile der Chemie ohne CCd-Emissionen zu realisieren. Damit dies gelingt, darf der Wasserstoff allerdings nicht aus fossilen Quellen stammen, sondern muss mit Hilfe von erneuerbaren Energie produziert werden.
Eine Quelle für erneuerbare Energien ist die Windkraft. Insbesondere mit küstennahen, sogenannten Offshore- Windkraftanlagen lassen sich große elektrische Leistungen realisieren. Herausforderend ist allerdings, dass eine große Distanz zu den Verbrauchern zu überwinden ist. Die Energie sollte also möglichst verlustfrei zum Verbraucher trans portiert werden. Als Transportmedium eignet sich sehr gut Wasserstoff. Dieser kann zum Beispiel durch Pipelines in gasförmiger Form transportiert werden. Ein positiver Nebenaspekt hierbei ist, dass eine Wasserstoff-führende Pipeline gleichzeitig die Funktion eines Energiespeichers erfüllen kann, da der innere Druck in gewisssen Grenzen variiert werden kann. Aus dieser Überlegung heraus ist es von besonderem Interesse, den Wasserstoff direkt am Ort der Energiegewinnung zu produzieren, also Elektrolyseanlagen Offshore direkt an Offshore-Windkraftanlagen oder in deren unmittelbarer Nähe zu platzieren.
Bei Offshore-Elektrolyseanlagen muss ein besonderes Augenmerk auf die Vermeidung von Korrosion gelegt werden, denn durch das Vorhandensein von Salzwasser können signifikant höhere Korrosionsraten auftreten, was einen längeren unterbrechungs freien Betrieb einer Elektrolyseanlage gefährdet. Prinzipiell kann man Offshore-Elektrolyseanlagen mit Elektrolyseuren ausstatten, und diese innerhalb von geschlossenen Gehäusen, den Containern, unterbringen. Dadurch kann ein gewisser Schutz vor den äußeren Umwelteinflüssen für den Elektrolyseur erzielt werden. Allerdings muss betriebsbedingt der Elektrolyseur gekühlt werden, um die entstehende Abwärme aus dem Elektrolyseprozess an die Umgebung abzuführen.
Eine effiziente Kühlung und Abwärmenutzung einer Onshore- Elektrolyseanlage ist beispielsweise in der EP 2623 640 Al beschrieben. Die Effizienz eines Elektrolyseurs zum Erzeugen von Wasserstoff und Sauerstoff durch Zerlegung von Wasser wird gesteigert, indem Abwärme, die im Elektrolyseur erzeugt ist, in einem Wärmeträgermedium gespeichert wird, das Wärmeträgermedium einer Wasseraufbereitungsanlage zugeführt wird und in der Wasseraufbereitungsanlage mittels der Abwärme aus Rohwasser deionisiertes Wasser hergestellt wird. Dabei wird das Wärmeträgermedium in einem geschlossenen Kreislauf zwischen dem Elektrolyseur und der Wasseraufbereitungsanlage umgepumpt. Ein jeweiliger Wärmetauscher sorgt für eine Aufnahme und Abfuhr der Wärme aus dem Gehäuse der Elektrolyseanlage sowie eine entsprechende Wärmeübertragung und Zufuhr zu der Wasseraufbereitungsanlage.
Im Vergleich dazu sind die Kühlungsanforderungen im Betrieb bei Offshore-Elektrolyseanlagen durch eine geschlossene Containerbauweise also Einhausung und Schutz des Elektrolyseurs von ganz besonderer Bedeutung, um Überhitzung und Versagen zu vermeiden. Somit ist bei einer Offshore- Elektrolyseanlage eine Schnittstelle zwischen Elektrolyseur und der Umgebung letztendlich unvermeidbar, um den Wärmestrom der Prozesswärme geeignet abzuführen und einen sicheren Betrieb zu ermöglichen. Dabei sind zugleich Umweltgesichtspunkte im maritimen Bereich beachtlich, insbesondere regulatorische Vorgaben zum Schutz der maritimen Fauna und Flora.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Offsho- re-Elektrolyseanlage anzugeben, die einen sicheren und zu gleich umweltverträglichen Betrieb ermöglicht. Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren zum Betrieb einer Offshore- Elektrolyseanlage anzugeben.
Die auf eine Offshore-Elektrolyseanlage gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Offshore-Elektrolyse- anlage umfassend einen in einem Container angeordneten Elekt rolyseur, sowie einen Wärmeübertrager, welcher für die Wär meaufnahme und Ableitung von Prozesswärme aus der Elektrolyse in einen geschlossenen Kühlmittelkreislauf aus dem Container ausgelegt ist, wobei in dem Container eine Kühlmittelpumpe zur Förderung des Kühlmittels in dem Kühlmittelkreislauf an geordnet ist.
Die auf ein Verfahren zum Betrieb einer Offshore- Elektrolyseanlage gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß ge löst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Offshore- Elektrolyseanlage mit einem in einem Container angeordneten Elektrolyseur, bei dem für die Wärmeaufnahme und Ableitung von Prozesswärme aus der Elektrolyse aus dem Container Kühl mittel in einem geschlossenen Kühlmittelkreislauf geführt wird, wobei eine in dem Container angeordnete Kühlmittelpumpe betrieben wird.
Die in Bezug auf die Offshore-Elektrolyseanlage nachstehend angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen lassen sich sinngemäß auf das Verfahren zum Betrieb der Elektrolyse anlage übertragen.
Die Erfindung geht hierbei bereits von der Erkenntnis aus, dass die in verstärktem Maße installierten leistungsstärkeren Offshore-Windenergieanlagen und deren wachsende elektrische Erzeugungsleistung entsprechend leistungsfähigere Elektroly seanlagen erfordern. Es wird daher erwartet, dass die Leis tungsklasse einer Offshore-Elektrolyseanlage und deren Anzahl entsprechend zukünftig stark ansteigen wird. Damit einherge hende, steigende Anforderungen an den sicheren und umweltver träglichen Betrieb in der maritimen Umgebung sind zu berück sichtigen. Durch die Skalierungsbemühungen hin zu größeren Offshore-Elektrolyseanlagen rückt die Frage der Umweltver träglichkeit in den Fokus der Diskussion. Hierbei ist ein un ter Umweltgesichtspunkten möglichst eingriffsarmer Betrieb zu gewährleisten. Die Lösung der Kühlungsaufgabe für den Betrieb ist daher von besonderer Bedeutung bei gleichzeitiger Be triebssicherheit und Leistungsfähigkeit der Offshore- Elektrolyseanlage . Die Offshore-Elektrolyseanlage gemäß der Erfindung erkennt und überwindet hier erstmals die Nachteile herkömmlicher of fener Kühlungsansätze für das Kühlmedium. Beispielsweise ein Konzept, demzufolge das Meerwasser unmittelbar als Kühlungs medium für einen Wärmetauscher aus dem Meer herausgepumpt und entnommen wird, und nach der Beaufschlagung mit der Prozess wärme der Offshore-Elektrolyseanlage und Wärmeübertragung auf das Meerwasser, dieses unmittelbar wieder ins Meer zurückge leitet wird. Dies erweist sich unter Umweltgesichtspunkten als sehr nachteilig und überdies wartungsintensiv.
Andere Konzepte der Kühlung mittels Umgebungsluft bedürfen großer Wärmeaustauschflächen mit der Atmosphäre und umfang reicher Ventilatorsysteme bzw. Gebläse zur Kühlluftzufuhr, um die erforderliche Kühlleistung zu erreichen. Solche Systeme im Offshore-Einsatz sind durch die unmittelbare Exposition mit salzhaltigen Aerosolen im maritimen Bereich sehr anfällig für Versagen durch Korrosion und erfordern einen erheblichen Wartungsaufwand .
Mit der Erfindung werden diese Nachteile überwunden und ein sicherer und umweltverträglicher Betrieb einer Offshore- Elektrolyseanlage in einer geschlossenen Containerbauweise mit einem in dem Container angeordneten Elektrolyseur, bei spielsweise ein PEM-Elektrolyseur zur Wasserstofferzeugung, und mit einer in dem Container angeordneten Kühlmittelpumpe oder einer an den Container dicht angeflanschten Kühlmittel pumpe ermöglicht. In letzterem Fall ist zwischen dem Contai ner und der angeflanschten Kühlmittelpumpe eine Gehäuseein heit gebildet, so dass in dem so verstandenen Sinne die Kühl mittelpumpe auch in dem Container angeordnet ist. Mit dem ge schlossenen Kühlkreislauf ist die Wärmeaufnahme der Prozess wärme aus der Elektrolyse an der Anlage über den Wärmeüber trager in dem Container erreicht. Sowohl eine Verwendung durch Ansaugen von Meerwasser und dessen Umwälzung zu Küh lungszwecken als auch die erhebliche Korrosionsproblematik bei der Luftkühlung beim offenen Kühlungsbetrieb auf See ist vermieden. Die Erfindung beschreitet hier einen anderen Weg als die herkömmlichen Offshore-Anlagen mit einer offenen Küh lung.
Insbesondere dadurch, dass kein Seewasser angesaugt wird und stattdessen ein geschlossener Kühlmittelkreislauf vorliegt, werden die oben geschilderten Probleme vermieden. Es können keine Fremdkörper angesaugt werden, im Inneren des Wärmeüber tragers können sich keine unerwünschten anorganische Schich ten oder Biofouling bilden, was die Betriebssicherheit erhöht. Insbesondere wird kein erwärmtes Wasser an die Umgebung abgeführt. Ein weiterer Vorteil ist, dass beispiels weise neben (Süß-)Wasser auch andere besonders geeignete Kühlmedien bzw. Additive im geschlossenen Kühlkreislauf ein gesetzt werden können, die dann die benötigte Wärmeübertra gungsleistung bzw. Auslegung der erforderlichen Oberflächen für die Wärmeaufnahme der Prozesswärme aus dem Container bei einem hohen Temperaturniveau, deren Ableitung und schließlich Übertragung an eine geeignete Wärmesenke deutlich reduzieren kann.
Dabei ist in der Offshore-Elektrolyseanlage in dem Kühlmit telkreislauf eine Kühlmittelpumpe zur Förderung des Kühlmit tels angeordnet. Die Kühlmittelpumpe ist entsprechend der Kühlungsleistung ausgelegt. Die Kühlmittelpumpe ist zum Schutz vor Witterungseinflüssen daher in dem Container selbst untergebracht etwa in der Nähe des zu kühlenden Elektroly seurs der Offshore-Elektrolyseanlage. Prinzipiell ist hierbei auch eine feste Ankopplung durch dichtes Anflanschen der Kühlmittelpumpe unmittelbar an den Container etwa von außer halb möglich, so dass dann eine integrale Gehäuseeinheit der Kühlmittelpumpe mit dem Container gebildet ist. Das Schutz- und Kühlungskonzept soll im Rahmen der Erfindung daher so verstanden werden, dass auch bei einem Anflanschen, Anschrau ben oder einer anderweitigen unmittelbaren Ankopplung der Kühlmittelpumpe an den Container der Elektrolyseur und die Kühlmittelpumpe als in demselben Container untergebracht an gesehen werden, wobei eine Gehäuseeinheit gebildet ist. Dies ist für Wartungs- und Revisionszwecke an der Kühlmittelpumpe besonders vorteilhaft, da bedarfsweise ein erleichterter Zu gang zu der Kühlmittelpumpe von außen möglich ist. Hierdurch sind die besonders empfindlichen Einrichtungen wie insbeson dere der Elektrolyseur, der Wärmetauscher und die Kühlmittel pumpe für den Offshore-Einsatz geschützt und die Offshore- Elektrolyseanlage entsprechend für den Offshore-Betrieb in besonderer Weise konfektioniert.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist in dem geschlossenen Kühlmittelkreislauf für die Wärmeabgabe der durch das Kühlmittel aufgenommenen Prozesswärme ein Wärme übertrager mit einer entsprechend großflächig dimensionierten Wärmetauscherfläche vorgesehen, der in das Meer eintauchbar ist. Durch die Integration eines mit einer entsprechend groß flächig dimensionierten Wärmetauscherfläche ausgelegten Wär meübertragers in den geschlossenen Kühlkreislauf ist eine be sonders effektive Ankopplung an die gewählte Wärmesenke, das Meerwasser, erreicht und durch die Eintauchbarkeit ein Wärme übertrag der abgeführten Prozesswärme von dem großflächigen Wärmeübertrager an das Meerwasser erreicht. Von besonderem Vorteil erweist sich hierbei der vom Meerwasser unabhängige Kühlmittelkreislauf mit dem Kühlmedium.
Die Erfindung sieht somit die Nutzung von Seewasser als Wär mesenke in nahezu großem Reservoir vor Kühlmedium vor, wobei mit einem geschlossenen Kühlkreislauf lediglich die Wärme durch den in das Meer eingetauchten Wärmeübertrager abgegeben wird. Hiermit sind große Kühlleistungen für die Elektrolyse realisierbar und große Wärmeströme aus leistungsstarken Offs- hore-Elektrolyseuren über das Kühlmittel an das Meerwasser übertragbar. Der Eingriff dieser Konstruktion unter Umweltge sichtspunkten ist gering, insbesondere da eine stoffliche Entkoppelung von Kühlmittel und Meerwasser vorgesehen ist.
Für die Eintauchbarkeit des Wärmeübertragers in das Meerwas ser sind geeignet konfektionierte Schwenkeinrichtungen und/oder Hebezeuge an der Offshore-Elektrolyseanlage vorgese hen, die entsprechende Bewegungen des Wärmeübertragers wie Eintauchen oder Herausheben ermöglichen. Durch eine entsprechende wärmetechnische Auslegung kann vorteilhafterweise die im allgemeinen relativ große Austauschoberfläche für den großflächigen Wärmeübertrager auf die notwendige Kühlungsleistung hin dimensioniert und konstruktiv ausgeführt sein. Es ist gegenüber den offenen Kühlkonzepten nicht mehr nötig, das Meerwasser über Pumpen zu entnehmen, aktiv an die Wasseroberfläche zu fördern und unmittelbar für die Kühlungsaufgabe der Offshore- Elektrolyseanlage zuzuführen. Stattdessen wird die Wärmeabfuhr lediglich mittelbar über den großflächigen Wärmeübertrager über Konvektion im Seewasser durchgeführt.
Vorteilhafterweise weist zur Bereitstellung einer großen Wär meübertragungsfläche der Wärmeübertrager, insbesondere der großflächige Wärmeübertrager, eine Rohrleitung auf, die an der kühlmittelführenden Rohraußenfläche mit Rippen und/oder Finnen ausgestaltet ist und/oder in einer Vielzahl von Rohr bögen geführt ist.
Diese konstruktive Maßnahmen mit einer Rohrleitung oder Rohrleitungsbündel werden ergriffen, um die Oberfläche für den effizienten Wärmeübertrag zu erhöhen. Hier kommen verschiedene Möglichkeiten in Betracht, wie beispielsweise dass der Wärmeübertrager als mäanderförmiges und/oder mit Finnen versehenes Rohr ausgeführt sein kann. Weiterhin kann, wie etwa bei einem Rohrbündel-Wärmeübertrager, der Volumenstrom des Kühlmittels auf mehrere parallele Rohrleitungen aufgeteilt werden, um so eine größere Wärmeaustauschfläche zu erhalten.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist die Rohrleitung, insbeson dere das Rohrleitungsbündel, aus Stahl vorzugsweise ein kor rosionsfester Edelstahl ausgeführt. Weiter vorteilhaft weist hierzu die Rohrleitung, insbesondere das Rohrleitungsbündel, an der Außenfläche eine Korrosionsschutzschicht auf. Grundsätzlich kann der im Meerwasser eintauchende großflä chige Wärmeübertrager aus Stahl ausgeführt sein. Ähnlich wie bei Schiffen sollten hierbei aber vorzugsweise Maßnahmen ergriffen werden, die einer Korrosion entgegenwirken, wie zum Beispiel ein kathodischer Korrosionsschutz oder die Verwen dung einer Opferanode. Einfache Schutzanstriche hingegen könnten den gewünschten Wärmeübertrag vermindern und sind somit eher nicht zu empfehlen, es sei denn der Schutzanstrich ist jedenfalls hinsichtlich des Einflusses auf den zu erzielenden Wärmeübertrag angepasst und geeignet. So können vorteilhafterweise hinreichend dünne Beschichtungen gegen das so genannte Fouling eingesetzt werden, die den Wärmeübergang nicht merklich behindern. Diese „Fouling" genannte Verschmutzung von Wärmetauschern und Wärmeübertragern und die daraus resultierende Reinigung stellen immer wieder eine Herausforderung für den Betrieb dar. Verantwortlich für die unterschiedlichen Ablagerungen sind Wasser mit hohem Salzgehalt, hohe Temperaturen und Verschmutzungen im Wasser. Sie behindern beides, sowohl die Heiz- als auch die Kühlleistung eines Wärmetauschers. Je fester und dicker die Ablagerungen werden, desto schlechter wird die Wärmeübertra gung.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung weist die Korrosi onsschutzschicht Titan auf. Sie kann auch aus Titan ausge führt sein. Auch ist es in bevorzugter Ausgestaltung möglich, für den großflächigen Wärmeübertrager insgesamt Rohrleitungen aus Titan zu verwenden.
Bei der Verwendung von Titan als Material für den großflä chigen Wärmeübertrager kann auf solche zusätzlichen Korrosi onsschutzschichten oder Anti-Fouling Anstriche verzichtet werden und diese Art der Ausgestaltung ist daher besonders vorteilhaft. Titan zeigt eine sehr gute Korrosionsbestän digkeit gegenüber Seewasser. Bei der Verwendung von Titan rohren ist es bevorzugt einen elektrischen Kontakt zu Stahlkomponenten durch geeignete Isolatoren zur Trennung der Materialien zu vermeiden. Andernfalls bestünde das Potential, dass sich sogenannte Lokalelemente bilden, welche Korrosions erscheinungen hervorrufen können. Lokalelemente sind im all gemeinen kleinflächige Korrosionselemente (oder Kontaktele mente), die mit bloßem Auge kaum zu erkennen sind. Lokalele mente können an Berührungsstellen von zwei verschiedenen Me tallen durch Einwirkung von Feuchtigkeit, zum Beispiel her vorgerufen durch Aerosole, entstehen und dort oft erhebliche Korrosion verursachen.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist der großflächige Wärme übertrager in einem Gestell angeordnet, das den Wärmeübertra ger umfasst und den Wärmeübertrager für den jeweiligen Be triebszustand über Befestigungen in Position hält.
Die Unterbringung und Befestigung des Wärmeübertragers in ei nem Gestell vereinfacht das Eintauchen des Wärmeübertragers in das Meerwasser erheblich. Auch wird dessen Manipulation bzw. Handhabung für verschiedene Betriebszustände sehr er leichtert. Hierdurch ist ein modularer Aufbau realisiert mit einem Modul, umfassend den Wärmeübertrager und das Gestell als Baueinheit sowie Hilfsanbauten, wie etwa Anschlüsse oder Flanschverbindungen für die Rohrleitungen zum Anschluss an den Container der Offshore-Elektrolyseanlage.
Der in das Meerwasser eintauchbare Wärmeübertrager ist dabei in dem Gestell untergebracht, das vorzugsweise die Abmes sungen eines Standard-Containers der Logistikbranche aufweist. So ist es besonders einfach möglich den Wärmetau cher zu transportieren und bei Bedarf nach einer bestimmten Betriebszeit auszutauschen, was für Wartungs- und Service zwecke von Vorteil ist.
Vorzugsweise ist daher das Gestell mit dem großflächigen Wär meübertrager derart befestigt, dass bedarfsweise ein Heraus führen oder Herauskippen aus dem Meerwasser bewirkbar ist.
Vorzugsweise ist das Gestell mit dem großflächigen Wärmeüber trager über eine drehbare Befestigung herauskippbar. Es ist besonders zweckmäßig und von Vorteil den in das Meerwasser eintauchenden großfächigen Wärmeübertrager derart konstruktiv auszuführen, dass er mit einfachen Mitteln, zum Beispiel mit Hilfe einer Seilwinde, aus dem Wasser „herausgeklappt" oder herausgekippt werden kann. Dies kann vorzugsweise durch eine drehbare oder dreh-/kippbare Befestigungseinrichtung an dem Gestell realisiert sein.
Die Möglichkeit, den großflächigen Wärmeübertrager aus dem Meerwasser herauszuklappen, ist eine besonders vorteilhafte konstruktive Weiterbildung, insbesondere speziell bei den Anforderungen im Offshore-Bereich für eine Offshore-Elektro- lyseanlage. Es sind alternative Rohrführungen für den Wärmeübertrager denkbar, die ohne das Entfernen von Rohrstücken für das Herausklappen des Wärmeübertragers auskommen. So kann etwa über die drehbare Befestigung das Gestell umfassend den Wärmeübertrager gekippt werden. Mit einer entsprechenden Flanschverbindung jeweils für den Vorlauf und den Rücklauf, die exakt auf der entsprechenden Drehachse angebracht und ausgerichtet sind, braucht für ein Herausklappen lediglich nur der Flansch geöffnet und mit Blindscheiben versehen werden. Es ist auch im Sinne der Erfindung flexible Schläuche oder Faltenbalgsysteme oder Konbinationen aus diesen Leitungselementen als Verbindung zum Container mit dem Elektrolyseur verwendbar, um ein Hoch klappen oder Herauskippen zu ermöglichen, ohne dass eine Rohrleitung gelöst, aufgetrennt oder verschlossen werden muss. Solche Schläuche können je nach Temperaturniveau des Kühlmittels im Vorlauf und im Rücklauf des Kühlmittel kreislaufs auch aus geeignetem Kunststoff gefertigt sein.
Die Offshore-Elektrolyseanlage ist in besonders vorteilhafter Ausgestaltung mit einer Anschlusseinheit zur Einspeisung von elektrischem Strom aus einer Offshore-Windturbine ausgeführt.
Dadurch kann bei einer Offshore-Windanlage überschüssiger Strom direkt auf See zur Wasserstoffproduktion genutzt wer- den, indem der Strom über die Anschlusseinheit der Offshore- Elektrolyseanlage zugeführt wird.
Besonders vorteilhaft ist diese Kombination von erneuerbaren Energien und Wasserstoffproduktion bei Offshore-Windparks und anderen in entlegenen Gebieten liegenden Windkraft-Anlagen. Denn bisher leidet der verstärkte Ausbau der erneuerbaren Energien auch an der fehlenden Netz-Infrastruktur. In Deutschland beispielsweise fehlen Stromtrassen, um den Wind strom vom Meer ins Inland und weiter nach Süddeutschland zu bringen. Hier kann eine Offshore-Elektrolyseanlage helfen.
Mit ihr ließe sich der auf See generierte Strom künftig di rekt vor Ort zur Spaltung von Meerwasser nutzen.
In bevorzugter Ausgestaltung ist daher die Offshore- Elektrolyseanlage gemäß der Erfindung auf einer Offshore plattform im Meer installiert. Als Basis für eine solche Windkraft-Elektrolyse könnten beispielsweise ausgediente Öl oder Gasplattformen dienen, wie sie unter anderem in der Nordsee reichlich vorhanden sind. Der dort erzeugte Wasser stoff ließe sich dann bequem über die vorhandenen Erdgaspipe lines zu Kraftwerken an Land leiten.
Bei dem Verfahren zum Betrieb einer Offshore-Elektrolyseanla- ge mit einem in einem Container angeordneten Elektrolyseur wird für die Wärmeaufnahme und Ableitung von Prozesswärme aus der Elektrolyse aus dem Container ein Kühlmittel in einem ge schlossenen Kühlmittelkreislauf geführt, wobei eine in dem Container angeordnete Kühlmittelpumpe betrieben wird.
Wie bereits bei der Offshore-Elektrolyseanlage ausgeführt ist, wird unter einer in dem Container angeordneten Kühlmit telpumpe prinzipiell auch eine feste Ankopplung durch dichtes Anflanschen der Kühlmittelpumpe unmittelbar an den Container von außen verstanden, so dass dann eine Gehäuseeinheit der Kühlmittelpumpe mit dem Container gebildet ist. Dies soll im Rahmen der Erfindung so verstanden werden, dass auch bei ei nem Anflanschen oder einer Ankopplung der Kühlmittelpumpe an den Container der Elektrolyseur und die Kühlmittelpumpe in demselben Container untergebracht sind, wobei eine Gehäu seeinheit gebildet ist.
Hierbei wird in besonders vorteilhafterweise Ausführung des Verfahrens in dem geschlossenen Kühlmittelkreislauf von dem durch die Prozesswärme erwärmten Kühlmittel, Wärme auf Meer wasser übertragen und das Kühlmittel dadurch abkühlt.
Vorzugsweise wird ein schädigendes Eindringen von Meerwasser in den Kühlmittelkreiskreislauf überwacht. Hierzu kann ein entsprechender Sensor zum Detektieren von Leckagen im Kühl mittelkreislauf zur Anwendung kommen und eingesetzt werden. Vorzugsweise wird eine Messung der elektrischen Leitfähigkeit durchgeführt unter Verwendung eines Leitfähigkeitssensors, der entsprechend sensitiv auf einen meerwasserbedingten Salz gehalt reagiert, so dass ein unerwünschtes Eindringen von Meerwasser angezeigt wird und entsprechende Gegenmaßnahmen getroffen werden können.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeich nung näher erläutert. Hierin zeigen schematisch und stark vereinfacht :
FIG 1 eine Elektrolyseanlage mit Luftkühlung;
FIG 2 eine Offshore-Elektrolyseanlage mit Verwendung von
Meerwasser als Kühlmittel in einem offenen Kühlmit telkreislauf;
FIG 3 ein Ausführungsbeispiel einer Offshore-
Elektrolyseanlage gemäß der Erfindung mit einem ge schlossenen Kühlmittelkreislauf;
FIG 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Offshore-
Elektrolyseanlage gemäß der Erfindung.
Gleiche Bezugszeichen habe in den Figuren die gleiche Bedeu tung. In Figur 1 ist eine Elektrolyseanlage la dargestellt, bei der in einem Container 2 oder anderweitigem Gehäuse ein nicht nä her gezeigter Elektrolyseur, beispielsweise ein PEM- oder Al kali-Elektrolyseur, angeordnet ist. Der Elektrolyseur ist für die Erzeugung von Wasserstoff als Produkt aus der Elektrolyse von Wasser als Edukt ausgelegt. Zur Kühlung und Wärmeabfuhr der Prozesswärme während des Betriebs des Elektrolyseurs weist die Elektrolyseanlage la einen Luftkühler 6 auf. Ein Kühlmittelkreislauf 3 sorgt für die Umwälzung eines Kühlmit tels, wobei ein zu kühlendes Medium durch einen Wärmeübertra ger 4 mit entsprechend großen Wärmeaustauschoberflächen zur Atmosphäre geführt wird. Eine Kühlmittelpumpe 5 fördert das Kühlmittel. Für einen Einsatz der Elektrolyseanlage la im Offshore-Bereich auf dem Meer, ist diese Konfiguration nach teilig und daher für die Offshore-Anwendung nicht zu empfeh len. Da durch Wind und Wetter das Meerwasser in Form von salzhaltigen Aerosolen verbreitet wird, wären die Wärmetau scher-Oberflächen und die dazugehörigen außen liegenden Ven tilatoren der Elektrolyseanlage la einem sehr aggressiven Um feld ausgesetzt. Hohe Korrosionsraten sind hier zu erwarten, was den sicheren Betrieb der Elektrolyseanlage la beeinträch tigt und zu geringen Standzeiten bei hohem Wartungsaufwand bei einem Offshore-Betrieb führen würde.
In Figur 2 ist eine Offshore-Elektrolyseanlage lb darge stellt, bei der in einem Container 2 ein nicht näher gezeig ter Elektrolyseur, beispielsweise ein PEM- oder Alkali- Elektrolyseur, angeordnet ist. Die Offshore-Elektrolyseanlage lb ist auf einer Tragstruktur 10, einer Offshore-Plattform angeordnet, die sich über dem Meeresspiegel 11 befindet und auf dem Meeresboden verankert ist. In dem Container 2 ist ein nicht näher dargestellter Elektrolyseur, eine Kühlmittelpumpe 5 und ein Wärmeübertrager (4) vorgesehen. Als Kühlmittel wird Meerwasser verwendet und zu Kühlungszwecken zu dem Wärmeüber trager 4 mittels der Kühlmittelpumpe 5 aus dem Meer hochge pumpt. Als Zufuhr für das Meerwasser ist ein Ansaugstutzen 12 unter Wasser in der zu dem Wärmeübertrager 4 hinführenden Saugleitung vorgesehen, in die die Kühlmittelpumpe 5 einge- baut ist. Letztere muss aufgrund der Höhendifferenz entspre chend leistungsfähig ausgestaltet sein. Soll die Kühlmittel pumpe 5, wie in Figur 2 gezeigt, innerhalb des Containers 2 angeordnet sein, kann bei einer zu großen Höhendifferenz so gar der Fall eintreten, dass der Dampfdruck des Meerwassers limitierend wirkt und Kavitation eintritt. In diesem Fall wä re es selbst mit den stärksten Pumpen nicht möglich das Meer wasser anzusaugen, was für einen effizienten Kühlbetrieb sehr nachteilig ist. Alternativ müsste die Pumpe näher an der Was seroberfläche platziert sein, wo sie möglicherweise den Um welteinflüssen stärker ausgesetzt und auch der Zugang für Wartung und Reparatur erschwert wäre. Zur Rückführung des Meerwassers nach der Wärmeaufnahme in dem Wärmeübertrager 4 ist stromabseitig von dem Wärmeübertrager (4) die Rückführ leitung 13 angeschlossen. Die Rückführleitung 13 taucht unter den Meeresspiegel 11 und führt das erwärmte Meerwasser wieder zurück. Hierdurch ist bei der Offshore-Elektrolyseanlage lb ein offenes Kühlkonzept realisiert, die auf Meerwasser als Kühlmittel zurückgreift und nicht nur unter Umweltaspekten im maritimen Bereich eher nachteilig ist, sondern auch hinsicht lich der Betriebssicherheit bzw. Standzeiten, was nachfolgend anhand einiger ausgewählter Aspekte erläutert wird:
Im Betrieb des Elektrolyseurs wird Meerwasser durch den unter dem Meeresspiegel 11 liegende Ansaugstutzen 12 mit Hilfe der leistungsfähigen Kühlmittelpume 5 angesaugt und durch den Wärmeübertrager 4 gefördert. Auf der Gegenseite des Wärmeübertragers 4 wird das zu entwärmende Medium des Elektrolyseurs geleitet (in Figur 2 nicht gezeigt), so dass die Wärme unmittelbar auf das Meerwasser als Kühlmittel übertragen wird. Das erwärmte Meerwasser wird wieder in das Meer über die Rückführleitung 13 durch eine Auslassöffnung zurückgeführt. Dieses Kühlkonzept bringt Nachteile mit sich. Um Blockaden oder Defekte an der Kühlmittelpumpe 5 zu vermeiden, muss sichergestellt werden, dass keine größeren Fremdkörper oder gar Meereslebewesen angesaugt werden. Dies kann mit aufwendigen Filtersystemen erfolgen, wobei sich diese mit der Zeit zusetzen können und deshalb regelmäßig gereinigt werden müssen. Dies ruft einen signifikanten Arbeitsaufwand, verbunden mit hohen Wartungs- und Instandhaltungskosten, hervor und bedingt häufige Arbeiten vor Ort. Weiterhin bilden sich selbst mit feinsten Filtern störende Schichten „Scaling" im Inneren der Kühlmittel führenden Leitungen und des Wärmeübertragers 4 aus. Diese Schichten können sogenanntes Biofouling sein, wobei sich aber auch anorganische Schichten bilden. Anorganische Ablagerungen treten insbesondere wegen einer ungünstigen Temperaturabhän gigkeit der Löslichkeit von Calcit auf. Calcit bildet sich bevorzugt an wärmeren Stellen, also im Inneren des Wärmeüber tragers 4, wo solche Schichten besonders störend sind und eine Reinigung wegen der schlechten Zugänglichkeit nur schwer oder gar nicht möglich ist.
Weiterhin kann es Vorgaben und Regularien geben, die zum Schutz von Flora und Fauna ein Rückführen von größeren Mengen erwärmtem Wasser in das Meer verbieten. Insbesondere bei Elektrolyseuren mit großer Leistung könnten solche Vorgaben einen Betrieb erheblich limitieren. Diese Problematiken werden bei Offshore-Elektrolyseanlagen durch das Kühlungskonzept der Erfindung überwunden:
In Figur 3 ist eine Offshore-Elektrolyseanlage 20 gemäß der Erfindung dargestellt. Diese Elektrolyseanlage 20 überwindet insbesondere die Nachteile der in den vorstehenden Figur 1 und Figur 2 beschriebenen Ausführungen. Demgemäß zeigt die Offshore-Elektrolyseanlage 20 einen Container 2, in dem ein nicht näher gezeigter Elektrolyseur, beispielsweise ein PEM- oder Alkali-Elektrolyseur, angeordnet ist. Die Offshore- Elektrolyseanlage 20 ist auf einer Tragstruktur 10, einer Offshore-Plattform angeordnet und für Offshore-Anwendung kon zipiert. In dem Container 2 ist eine Kühlmittelpumpe (5) und ein Wärmeübertrager 4, insbesondere ein Wärmetauscher, ange ordnet. Es ist ein geschlossener Kühlmittelkreislauf 3 reali siert, wobei ein großflächiger Wärmeübertrager 21 vorliegend über abnehmbare Rohrleitungen 23 in den Kühlmittelkreislauf 3 strömungsdicht einbaubar ist, so dass im Betrieb ein Kühlmit- tel durch die Kühlmittelpumpe 5 in einem geschlossenen Kühl mittelkreislauf 3 führbar ist. Der großflächige Wärmeübertra ger 21 ist in einem Gestell 22 angeordnet, befestigt und ent sprechend betriebsfertig positioniert. Die Baueinheit aus Ge stell 22 und großflächigem Wärmeübertrager 21 ist mittels Be festigungselementen 24a, 24b an der Tragstruktur 10 lösbar befestigt. Dabei taucht der großflächige Wärmeübertrager 21 unter den Meeresspiegel 11. Der großflächige Wärmeübertrager
21 in dem Gestell 22 ist derart angeordnet, dass das Gestell
22 den Wärmeübertrager 21 umfasst und den Wärmeübertrager 21 für den jeweiligen Betriebszustand über die Befestigungen 24a, 24b in Position hält. Somit ist die Betriebsposition des großflächigen Wärmeübertragers 21 mit Eintauchen in das Meer wasser oder auch Inspektions- oder Wartungspositionen flexi bel einstellbar.
Durch das Meerwasser ist eine besonders effiziente und Wärme senke realisiert, so dass Prozesswärme aus der Elektrolyse aus dem Container (2) ableitbar und dem Meerwasser lediglich über Konvektion zuführbar ist. Durch den geschlossenen Kühl mittelkreislauf (3) findet kein schädigender Stoffaustausch zwischen dem im Kreislauf umgewälzten Kühlmittel und dem Meerwasser statt. Diese Bereiche sind strömungstechnisch von einander getrennt.
Zur Bereitstellung einer entsprechend großen Wärmeübertra gungsfläche und Wärmeübertragungseffizienz weist der Wärme übertrager 21 eine Rohrleitung auf, die an der kühlmittelfüh renden Rohraußenfläche mit Rippen und/oder Finnen ausgestal tet ist und/oder in einer Vielzahl von Rohrbögen geführt ist. Diese spezifische und besonders vorteilhafte Ausgestaltung ist in Figur 3 aus Übersichtlichkeitsgründen nicht näher il lustriert. Die Rohrleitung ist aus Stahl ausgeführt und weist an der Außenfläche eine Korrosionsschutzschicht auf.
Die Erfindung sieht somit die Nutzung von Seewasser als Wär mesenke in einem nahezu unbegrenzt großen Reservoir als Kühl medium vor, wobei mit einem geschlossenen Kühlmittelkreislauf (3) lediglich die Wärme durch den in das Meer eingetauchten Wärmeübertrager (21) an das Seewasser übertragen und an die ses abgegeben wird. Hiermit sind große Kühlleistungen für die Offshore-Elektrolyse realisierbar und große Wärmeströme aus leistungsstarken Offshore-Elektrolyseuren über das Kühlmittel an das Meerwasser übertragbar. Der Eingriff dieser Konstruk tion unter Umweltgesichtspunkten ist gering, insbesondere da eine stoffliche Entkoppelung von Kühlmittel und Meerwasser vorgesehen ist. Insbesondere dadurch, dass kein Seewasser angesaugt wird und stattdessen ein geschlossener Kühlmittelkreislauf 3 vorliegt, werden die zahlreiche im Betrieb geschilderten Probleme vermieden. Es können keine Fremdkörper angesaugt werden, im Inneren des Wärmeübertragers 21 können sich keine unerwünschten anorganischen Schichten oder Biofouling bilden, was die Betriebssicherheit erhöht.
Für die Eintauchbarkeit des Wärmeübertragers 21 in das Meer wasser sind geeignet konfektionierte Schwenkeinrichtungen und/oder Hebewerkzeuge oder Seilwinden an der Offshore- Elektrolyseanlage vorgesehen, die entsprechende Bewegungen des Wärmeübertragers 21 wie Eintauchen oder Herausheben er möglichen. Es ist somit möglich, bei Bedarf nach einer be stimmten Betriebszeit der Offshore-Elektrolyseanlage 20, den Wärmeübertrager 21 auszutauschen oder einer Wartung zu unter ziehen.
In Figur 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel in besonders vorteilhafter Ausgestaltung einer Offshore-Elektrolyseanlage 20 gemäß der Erfindung gezeigt. Gegenüber des Ausführungsbei spiels in Figur 3 ist hierbei das Gestell 22 mit dem Wärme übertrager 21 derart befestigt, dass bedarfsweise ein Heraus führen, ein Herauskippen oder ein Herausklappen aus dem Meer wasser bewirkbar ist. Hierzu ist eine drehbare Befestigung 24a der Baueinheit, umfassend das Gestell 22 mit dem großflä chigen Wärmeübertrager 21 an der Struktur 10, vorgesehen. Durch diese vorteilhafte Weiterbildung wird die Möglichkeit eröffnet, den Wärmeübertrager 21 bedarfsweise aus dem Meerwasser flexibel über einen Drehmechanismus herauszuklappen, was die Handhabung erheblich erleichtert. Es sind dabei alternative Rohrführungen für den Wärmeübertrager möglich, die ohne das Entfernen der abnehmbaren Rohrstücke 23 - entsprechend dem Ausführungsbeispiel in Figur 3 - auskommen.
Die Offshore-Elektrolyseanlage gemäß Figur 3 und Figur 4 ist mit einer - nicht näher gezeigten - Anschlusseinheit zur Ein speisung von elektrischem Strom aus einer Offshore-Windturbi- ne ausgestattet. Dabei kann eine Offshore-Windturbine auf derselben Tragstruktur 10 zusammen mit der Offshore- Elektrolyseanlage 20 umfassend den Container 2 aufgestellt sein, so dass ein unmittelbarer elektrischer Anschluss mög lich ist und eine Einspeisung von durch die Offshore- Windturbine erzeugten Elektrolysestrom.
Beim Betrieb der Offshore-Elektrolyseanlage 20 zur Wasser stoffproduktion wird der in dem Container 2 angeordnete Elektrolyseur gekühlt, um die Prozesswärme abzuführen. Hier bei wird für die Wärmeaufnahme und Ableitung der Prozesswärme aus der Elektrolyse aus dem Container 2 das Kühlmittel in ei nem geschlossenen Kühlmittelkreislauf 3 geführt und der Con tainer 2 mit seinen Einbauten, insbesondere der Elektroly seur, effektiv gekühlt. Hierbei wird in dem geschlossenen Kühlmittelkreislauf 3 von dem durch die Prozesswärme aus der Elektrolyse erwärmten Kühlmittel, Wärme auf Meerwasser über tragen und das Kühlmittel dadurch abgekühlt. Ein schädigendes Eindringen von Meerwasser in den Kühlmittelkreislauf 3 oder sonstige unerwünschte Leckagen in dem Kühlmittelkreislauf werden überwacht.

Claims

Patentansprüche
1. Offshore-Elektrolyseanlage (20) umfassend einen in einem Container (2) angeordneten Elektrolyseur sowie einen Wärme übertrager (4), welcher für die Wärmeaufnahme und Ableitung von Prozesswärme aus der Elektrolyse in einen geschlossenen Kühlmittelkreislauf (3) aus dem Container (2) ausgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Container (2) eine Kühl mittelpumpe (5) zur Förderung des Kühlmittels in dem Kühlmit telkreislauf (3) angeordnet ist.
2. Offshore-Elektrolyseanlage (20) nach Anspruch 1, bei der in dem geschlossenen Kühlmittelkreislauf (3) für die Wärmeab gabe der durch das Kühlmittel aufgenommenen Prozesswärme ein Wärmeübertrager (21) vorgesehen ist, der in das Meer ein- tauchbar ist.
3. Offshore-Elektrolyseanlage (20) nach Anspruch 2, bei dem zur Bereitstellung einer großen Wärmeübertragungsfläche der Wärmeübertrager (21) eine Rohrleitung aufweist, die an der kühlmittelführenden Rohraußenfläche mit Rippen und/oder Fin nen ausgestaltet ist und/oder in einer Vielzahl von Rohrbögen geführt ist.
4. Offshore-Elektrolyseanlage (20) nach Anspruch 3, bei dem die Rohrleitung aus Stahl ausgeführt ist, wobei die Rohrlei tung an der Außenfläche eine Korrosionsschutzschicht auf weist.
5. Offshore-Elektrolyseanlage (20) nach Anspruch 4, bei der die Korrosionsschutzschicht Titan aufweist.
6. Offshore-Elektrolyseanlage (20) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei der Wärmeübertrager (21) in einem Gestell (22) angeordnet ist, das den Wärmeübertrager (21) umfasst und den Wärmeübertrager (21) für den jeweiligen Betriebszustand über Befestigungen (24a, 24b) in Position hält.
7. Offshore-Elektrolyseanlage (20) nach Anspruch 6, bei dem das Gestell (22) mit dem Wärmeübertrager (21) derart befes tigt ist, dass bedarfsweise ein Herausführen oder Herauskip pen aus dem Meerwasser bewirkbar ist.
8. Offshore-Elektrolyseanlage (20) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, bei der das Gestell (22) mit dem Wärmeübertrager (21) über eine drehbare Befestigung (24a) herauskippbar ist.
9. Offshore-Elektrolyseanlage (20) nach einem der vorherge henden Ansprüche mit einer Anschlusseinheit zur Einspeisung von elektrischem Strom aus einer Offshore-Windturbine.
10. Verfahren zum Betrieb einer Offshore-Elektrolyseanlage (20) mit einem in einem Container (2) angeordneten Elektroly seur, bei dem für die Wärmeaufnahme und Ableitung von Pro zesswärme aus der Elektrolyse aus dem Container (2) Kühlmit tel in einem geschlossenen Kühlmittelkreislauf (3) geführt wird, wobei eine in dem Container (5) angeordnete Kühlmittel pumpe (5) betrieben wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem in dem geschlossenen Kühlmittelkreislauf (3) von dem durch die Prozesswärme er wärmten Kühlmittel, Wärme auf Meerwasser übertragen wird und das Kühlmittel dadurch abgekühlt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, bei dem ein schädigendes Eindringen von Meerwasser in den Kühlmittel kreiskreislauf (3) überwacht wird.
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