EP4511936A1 - Anlagenverbund umfassend mindestens zwei elektrolyseanlagen und eine stromversorgungsquelle - Google Patents

Anlagenverbund umfassend mindestens zwei elektrolyseanlagen und eine stromversorgungsquelle

Info

Publication number
EP4511936A1
EP4511936A1 EP23734939.4A EP23734939A EP4511936A1 EP 4511936 A1 EP4511936 A1 EP 4511936A1 EP 23734939 A EP23734939 A EP 23734939A EP 4511936 A1 EP4511936 A1 EP 4511936A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
voltage
supply line
electrolysis
network
central
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23734939.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Marvin Bendig
Sven Schumann
Ulf-André GECK
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Energy Global GmbH and Co KG filed Critical Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Publication of EP4511936A1 publication Critical patent/EP4511936A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J1/00—Circuit arrangements for DC mains or DC distribution networks
    • H02J1/10—Parallel operation of DC sources
    • H02J1/102—Parallel operation of DC sources being switching converters
    • 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
    • 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
    • C25B9/65—Means for supplying current; Electrode connections; Electric inter-cell connections
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J1/00—Circuit arrangements for DC mains or DC distribution networks
    • H02J1/14—Balancing load and power generation in DC networks
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D9/00—Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
    • F03D9/10—Combinations of wind motors with apparatus storing energy
    • F03D9/19—Combinations of wind motors with apparatus storing energy storing chemical energy, e.g. using electrolysis
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2220/00—Application
    • F05B2220/61—Application for hydrogen and/or oxygen production
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2101/00—Supply or distribution of decentralised, dispersed or local electric power generation
    • H02J2101/20—Dispersed power generation using renewable energy sources
    • H02J2101/22—Solar energy
    • H02J2101/24—Photovoltaics
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2101/00—Supply or distribution of decentralised, dispersed or local electric power generation
    • H02J2101/20—Dispersed power generation using renewable energy sources
    • H02J2101/28—Wind energy
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2105/00—Networks for supplying or distributing electric power characterised by their spatial reach or by the load
    • H02J2105/10—Local stationary networks having a local or delimited stationary reach
    • H02J2105/16—Local stationary networks having a local or delimited stationary reach being internal to power sources or power generation plants
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Definitions

  • System network comprising at least two electrolysis systems and a power supply source
  • the invention relates to a system network comprising at least two electrolysis systems and a power supply source.
  • the invention further relates to a use.
  • a valuable material can in particular be hydrogen, which is produced by water electrolysis systems.
  • renewable energy gas - also known as renewable energy gas - can be produced based on hydrogen.
  • a renewable gas is a combustible gas that is obtained using electrical energy from renewable sources.
  • Hydrogen represents a particularly environmentally friendly and sustainable energy source. It has the unique potential to realize energy systems, transport and large parts of chemistry without CCy emissions. For this to be successful, the hydrogen must not come from fossil sources, but must be produced using renewable energy. At least a growing proportion of the electricity generated from renewable sources is now fed into the public power grid. This means that a corresponding proportion of green hydrogen can be produced depending on the electricity mix if an electrolysis system is operated with electricity from the public grid.
  • the direct current is primarily provided via mains-commutated rectifiers.
  • oscillations can arise due to the way the rectifiers work, which can put a strain on the alternating current network and/or the direct current network.
  • the electrolysis system has a circuit arrangement which includes four coil arrangements and four rectifiers.
  • the first coils of the coil arrangements are each connected to the DC voltage side of one of the rectifiers.
  • the circuit arrangement further comprises two transformers, each of which has a primary winding and two secondary windings.
  • the primary windings of the transformers are connected to the power grid, e.g. B. a medium-voltage network or a high-voltage network.
  • Such concepts have also been proposed for the mainland, whereby the electricity from onshore wind turbines or photovoltaic systems can be used directly to produce hydrogen, at least in part, through a direct connection to and feeding into an electrolysis plant.
  • the electrolysis system is part of a so-called island network.
  • the electrolysis electricity is not obtained from the public grid, but is supplied directly from a wind turbine or a PV system and fed into an electrolyzer in the electrolysis system.
  • the electrical energy generated by a wind turbine or a PV system can possibly be temporarily stored, for example in a battery.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a system network in which the most reliable and cost-effective electrical connection and supply of electrolysis systems with a power supply source is achieved, with a high level of operational flexibility being achieved, particularly with regard to the partial load capability of the electrolysis systems.
  • a system network comprising at least two electrolysis systems, a power supply source with a DC voltage output and a central supply line, the central supply line being connected to the DC voltage output of the power supply source, so that a direct current can be fed into the central supply line and on
  • a high-voltage central DC network is provided is to which the electrolysis systems are connected via the central supply line, the power supply source having a wind turbine as a power generator, to which a rectifier with a DC voltage output is connected, the DC voltage output being designed for the high voltage, and an electrolysis system at the foot of the tower of the wind turbine and is connected there directly to the central supply line.
  • the invention is based on the recognition of the problem that when combining sometimes different external power supply sources with electrolysis systems to form a system network, connection questions and questions regarding efficient power transmission arise. This applies to both isolated operation and grid-operated operation when the electrolysis systems are connected to the public power grid.
  • power transmission at a low voltage leads to very high material costs.
  • the generator in a wind turbine is located high in the nacelle and the electrolysis system is arranged on the ground near the tower or even at a further distance.
  • the invention proposes connecting the electrolysis systems via a system specifically designed for this purpose established and central DC network.
  • This DC network provides the specified high voltage and electrical power on the central supply line and acts as a transmission and distribution network for direct current.
  • the required transmission power is brought from the power supply source to the electrolysis system via the central DC network so that the electrolysis electricity is available.
  • the high voltage of the higher-frequency DC network can be flexibly selected and adjusted to the required DC voltage connection value.
  • the invention makes it possible to overcome relatively large line distances between the power supply source and the electrolysis systems in a particularly cost-effective manner, without having to carry out further AC conversions for a step-up and step-down transformation.
  • the high-voltage network on the central supply line can be flexibly designed, adapted and regulated to suit the respective application in terms of power supply source, DC voltage level, transmission and distribution path and consumption power of the connected electrolysis systems.
  • a direct current can be fed into the central supply line via the power supply source at the direct voltage output.
  • the electrolysis systems in the system network are each connected to the central supply line and obtain the direct current electrical power for the electrolysis process from the central DC network.
  • the concept with the central DC supply line is easily scalable and very flexible in terms of the number of electrolysis systems supplied via the DC network and the type of power supply source.
  • the DC network on the central supply line also creates a decoupling ment or independence with regard to the possible types of generation of the electrical power fed into the central supply line.
  • the system network can be designed for island network operation or a connection to a public network is possible. Advantageous combinations are also possible and a purchase from different power sources, such as wind energy, photovoltaics or hydropower.
  • the power supply source has at least one wind turbine as a power generator, to which a rectifier with a DC voltage output is connected, the DC voltage output being designed for the high voltage.
  • the individual control or switching on and off of preferably used DC/DC converters allows a very precise adaptation of the electrolysis units to the (fluctuating) power output of the power generator. If an individual electrolysis unit falls below a critical power consumption threshold, the hydrogen gas concentration on the oxygen side rises to an unacceptably high level, resulting in a risk of explosion. This means that critical conditions can be avoided and safe partial load operation is possible.
  • an electrolysis system is arranged in the system network at the foot of the tower of a wind turbine and is connected there directly to the central supply line for direct current. It is particularly advantageous, especially in remote on-shore wind turbines, to connect an electrolysis system close to the wind turbine to the DC-BUS line in the system network. If DC/DC converters are then preferably used, the intermediate line is designed with a high DC voltage, so that the use of materials, such as copper and aluminum in particular, is reduced and the manufacturing costs are correspondingly reduced.
  • the electrolysis systems are connected in parallel to one another with respect to the central supply line, with an electrolysis system being connected to the central supply line via a respective connection line.
  • the central DC supply network can be flexibly expanded if necessary and expanded to include additional electrolysis systems. terable, possibly by adjusting the feed-in power of the power supply sources feeding into the DC network with regard to the necessary consumption power of the electrolysers.
  • a step-down converter is connected to a connecting line, the input voltage of which corresponds to the high voltage in the central DC network and the output voltage of which is designed for a respective operating voltage of the electrolysis system.
  • the buck converter (step-down converter) converts an input voltage into a lower output voltage. It is also called a step-down converter.
  • a connecting line advantageously forms a central DC strand or a DC branch from the central supply line for one or more electrolysis systems or electrolyzers that can be operated with direct current.
  • Any number of electrolysis systems of any size can be connected to one or more such central DC branch lines using controllable DC/DC converters, in particular so-called step-down converters or step-down converters.
  • both the electrolysis systems can be regulated with regard to the electrolysis output and can be switched on and off.
  • a partial load capability or partial load control is achieved by regulating the electrolysis current.
  • Coordinating the power controllers ensures island grid capability, which is particularly important in remote on-shore locations. Plants or off-shore plants bring significant cost advantages. In order to provide higher electrolysis currents, if necessary, several DC/DC converters can be connected in parallel and used in a connecting cable.
  • the step-down converter is therefore designed as a controllable step-down converter, so that the supply of the electrolysis system with electrolysis current can be adapted to a fluctuating feed power of the power supply source into the central supply line.
  • the controllability of the step-down converter it is possible to supply the electrolysis system with direct electrolysis current in a connecting line in a flexible manner that can be adjusted with regard to the electrolysis output.
  • Whether the step-down converter operates continuously or intermittently depends on the inductance, switching frequency, input voltage, output voltage and the flowing output current. Since these parameters can sometimes change quickly, the transition between the two operating modes must generally be taken into account (e.g. prevented) when designing the circuit, especially a controller.
  • the two operating modes differ in terms of the control characteristic, i.e. the dependence of the output voltage on the duty cycle (see below), as well as in terms of the interference.
  • the step-down converter is preferably designed as a controllable step-down converter with regulation of the output voltage via the method of pulse width modulation in non-gap operation. In this way, continuous operation of the step-down converter is achieved and the electrolysis current supplied to the electrolysis system can be regulated.
  • the wind turbine in the system network is designed without a mechanical gear - i.e. gearless - and is designed for operation with a variable rotor frequency, with the wind turbine being a has a generator whose AC output is connected to the input of the rectifier.
  • the power supply source has a photovoltaic system as a power generator with a DC voltage output, the DC voltage output being designed for the high voltage, and the DC voltage output being connected to the central supply line.
  • step-up converters so-called step-up converters, are connected downstream of the PV generator to set the specified DC voltage level at the DC voltage output. This will be necessary if the DC output of the photovoltaic system itself does not provide a sufficiently high level of DC voltage to feed into the central supply line.
  • an advantageous connection or connection and supply of the electrolysis system with electricity obtained from a photovoltaic system is achieved in the system network via the central DC network on the supply line.
  • Island grid operation based on photovoltaics is possible.
  • an island network operates independently of the public network frequency, which enables particularly high design flexibility and self-sufficient application options away from the public power network.
  • the network frequency of the public power grid of 50 Hz to 60 Hz is therefore irrelevant for the design and operation of the electrical components within the DC network.
  • a step-up converter (DC/DC converter) must be provided to increase the voltage of the PV generator if necessary in order to ensure the precise feed-in of To cause direct current with the specified high voltage into the central supply line.
  • the power supply source has a hydroelectric power plant with a generator as a power generator, a rectifier with a DC voltage output being connected to the generator.
  • a hydroelectric power plant it is possible and advantageous for a hydroelectric power plant to use a generator that outputs a higher frequency than the mains frequency directly at the generator output.
  • the generator of the hydroelectric power plant can therefore advantageously be designed to match the frequency of the alternating voltage input of the rectifier.
  • This lower complexity and number of components can result in additional cost advantages when connected to a hydropower plant, whereby island network operation of the system network is also possible here.
  • the output speed and thus the alternating current frequency of the generator are determined by the number of poles and the rotation speed.
  • Generators for hydroelectric power plants in particular are therefore available for a higher-frequency alternating current output, so that a corresponding rectifier with an input designed for a higher frequency is used in the system network.
  • This makes grid-independent operation, i.e. without necessary consideration of the grid frequency of the public power grid, very advantageously possible.
  • a frequency-adapted coupling, for example using expensive and large transformers, is therefore not necessary or eliminated in the central DC network.
  • the power supply source is formed by the public power grid, with a rectifier being provided whose DC voltage output is designed for the high voltage of the central supply line.
  • a network connection is provided in the system network, via which a network current rectified by the rectifier can be fed into the central supply power at the specified high voltage.
  • the network connection is advantageously set up for bidirectional operation, so that it is also possible for electrical power to be fed into the public network from the central supply line.
  • This grid feed into the public power grid may be necessary in order to profitably dissipate the power in the event of a reduced consumption capacity of the electrolysis systems or a possible temporary overproduction of renewable electricity on the part of the electricity generation systems, ie a wind turbine, a photovoltaic system or a hydroelectric power system.
  • the power generation source in the system network prefferably be formed or fed from combinations of different power generators, such as wind turbines, photovoltaic systems or hydroelectric power systems, which are connected to the central supply line via the respective DC voltage output.
  • different power generators such as wind turbines, photovoltaic systems or hydroelectric power systems
  • the system network is therefore advantageously designed and set up for a connection to the public power grid as required. This means that both network operation and island operation are possible.
  • the rectifier If a connection to the public power grid is to take place, it is possible and also preferable for the rectifier to be designed as a central rectifier, for example as a central rectifier station, with appropriate performance in order to save components and to have a central connection point for the removal and rectification of Provide mains power.
  • This type of central connection to the public power grid via a central rectifier can, for example, be implemented particularly easily at the grid connection point of a wind turbine or a wind farm, with bidirectional use being provided. This involves feeding into the central supply line a rectification of mains power is carried out and, when fed into the public power grid, a reversal of direct current taken from the DC network from the central supply line.
  • a grid connection of the central DC network formed by the central supply line can be implemented using the additional rectifier or inverter provided for this purpose.
  • the voltage level of the DC strings can be flexibly selected so that no additional transformer is required for connection to the power grid.
  • the rectifier or inverter can independently regulate the voltage output in the DC string by either absorbing additional power from the network or feeding excess power into the network.
  • This rectifier or inverter is preferably designed to be bipolar based on IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), since in this case the network feedback is low, which enables savings in filters and reactive power compensation systems. Additional network services can be provided. This is particularly advantageous when connecting to weak networks, for example through a long branch line.
  • IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
  • IGBT is a component that is often used in power electronics because it combines the advantages of the bipolar transistor such as good forward behavior, high blocking voltage, robustness and the advantages of a field effect transistor with almost power-free control.
  • the striking advantages of IGBTs are the high voltage and current limits with operating voltages of up to 6500 V and currents of up to 3600 A with a power of up to 100 MW. This makes the IGBT in the rectifier 15 ideal for use in the working area of the electrolyzer 3.
  • IGCT ie one integrated gate-commutated thyristors.
  • IGCTs are used in high-performance power converters.
  • a single module typically switches several kiloamperes at a typical blocking voltage of 4500 V.
  • the power supply source has a step-up converter with a DC voltage output, by means of which a predetermined high voltage can be provided for the central supply line.
  • the step-up converter also known as a boost converter or step-up converter, is a form of DC-DC converter in electronics.
  • the magnitude of the output voltage is always greater than the magnitude of the input voltage. This means that the DC voltage level at the DC voltage output can be flexibly adjusted to the specified high voltage on the central DC supply line.
  • the use of a step-up converter is particularly advantageous when combined with a PV generator as a power supply source, whereby the PV direct voltage is increased so that the predetermined high voltage is provided at the direct voltage output for feeding into the central supply line.
  • a further, particularly preferred aspect of the invention relates to the use of a DC network in the system network described, with a number of electrolysis systems being connected to a central supply line for direct current, with a direct current at a predetermined connection value being fed into the central supply line via a direct voltage output the high voltage is fed in.
  • a high-voltage direct current with a specified high voltage well above the mains voltage is applied to the connections of the central supply line. mounted. This means that the electrolyzers of the electrolysis systems connected to the central DC bus line can be individually supplied centrally via a direct current network.
  • the predetermined high voltage is preferably provided on the central supply line by a step-up converter with a DC voltage output with an output voltage above 1.5 kV, in particular above 10 kV.
  • the central supply line is operated with a direct voltage at a high voltage of 10 kV to 110 kV, preferably 30 kV to 60 kV.
  • the central DC line largely eliminates the use of transformers compared to an AC-based supply.
  • the use of materials and installation space due to the weight and size of the transformers required for an AC network connection can be significantly reduced as a result of the design and definition of a central high-voltage direct current supply network. This reduces the use of materials, especially iron and copper, which in turn requires less installation space.
  • the invention is particularly advantageous for the connection or The electrical connection of preferably on-shore wind turbines to electrolysis systems can be used in a system network.
  • the generator current is conventionally brought to a constant 50 Hz output frequency with an inverter (AC-DC-AC) in conventional applications, so that the wind turbine can operate without a mechanical gear - as a so-called “gearless” wind turbine. and variable rotor frequency can be connected.
  • AC-DC-AC inverter
  • variable rotor frequency can be connected.
  • an electrolysis system is to be connected, this can now be done, for example.
  • B simply be connected directly to the central DC supply line (DC bus line) at the foot of the tower. Since DC/DC converters are used, the Intermediate lines are designed with high voltage in order to save materials, such as copper and aluminum in particular, and to reduce costs.
  • a network-side converter can be dispensed with and a connection to the central supply line is established between the generator and a respective electrolysis system with the electrolyzers using the same principle via a respective connection line.
  • the need for transformers is significantly reduced.
  • a maximum of a comparatively small, high-frequency transformer is required - even if necessary - for galvanic decoupling in order to ensure a cost-effective connection of the electrolysis to the generator with a high voltage.
  • FIG. 1 shows a system network with an electrolysis system and a wind turbine
  • FIG. 2 shows a system network with an electrolysis system and a photovoltaic system.
  • the system network 100 includes an electrolysis system 1 with two electrolysis systems 1A, 1B and a power supply source 3 connected to the electrolysis system 1.
  • the power supply source 3 has a wind turbine 19 as a power generator, which acts as a renewable energy system (RE system) and a source for green Electricity is used.
  • the electrolysis system 1 is supplied with electrolysis current via a central supply line 5, which is supplied with direct voltage, and therefore a central DC-BUS line is formed by the central supply line 5, by means of which the electrolysis system 1 can be directly supplied with direct current for the electrolysis process.
  • Each of the electrolysis systems 1A, 1B of the electrolysis system 1 is connected to a supply connection 23A, 23B to the central supply line 5 via a respective connection line 9A, 9B, so that a parallel connection of the electrolysis systems 1A, 1B is realized.
  • the electrolysis system 1A has at least one electrolyzer 15A and the electrolysis system 1B has at least one electrolyzer 15B.
  • the electrolyzers 15A, 15B can be designed either as a PEM electrolyzer, as an AEM electrolyzer (AEM: anion exchange membrane) or as an alkaline electrolyzer, although combinations are also possible. It is possible for a large number of electrolyzers 15A, 15B to be connected in series in a strand of the respective electrolysis system 1A, 1B to be supplied via the corresponding connecting line 9A, 9B.
  • the wind turbine 19 On the side of the power supply source 3, the wind turbine 19 is followed by a rectifier 13A, which has a direct voltage output 7, on the output side of a generator of the wind turbine 19.
  • a rectifier 13A which has a direct voltage output 7, on the output side of a generator of the wind turbine 19.
  • an alternating current generated by the generator of the wind turbine 19 can be fed into a direct current at a predetermined high voltage at the direct voltage output 7 in the central supply line 5.
  • no further active components such as transformers are required when connecting the wind turbine 19 to the central supply line 5, so that a particularly simple supply topology is realized.
  • a step-down converter 11A is connected to the connection line 9A and a step-down converter 11B is connected to the connection line 9B.
  • the input of the step-down converter 11A is connected to the supply connection 23A and, analogously, the input of the step-down converter 11B is connected to the central supply line 5 via the supply connection 23B.
  • the step-down converters 11A, 11B are each connected to the electrolyzer 15A, 15B in the connecting line 9a, 9B, so that a respective direct current at an adjustable voltage level for the operating voltage is provided for the electrolysis in the electrolyzers 15A, 15B.
  • a high-voltage direct current network is provided on the central supply line 5 as a central DC network and is used to supply the electrolysis systems 1A, 1B connected to the central supply line 5 in a parallel connection with electrolysis current.
  • a direct current can be provided, and a higher-frequency alternating current can be provided and fed into the central supply line 5.
  • the system network 100 can be designed or expanded particularly flexibly, for example by connecting additional electrolysis systems 1A, 1B comprising additional electrolyzers 15A, 15B via a connecting line 9A, 9B. With the system network 100, network-independent island network operation is advantageously possible.
  • the step-down converters 11A, 11B connected to the connection line 9A, 9B function as DC/DC converters (step down steeper) and are each designed in such a way that their input voltage corresponds to the predetermined high voltage in the central DC Network on the central supply line 5 corresponds and the respective output voltage is adapted or set to a respective operating voltage of the electrolysis system 1A, 1B.
  • the step-down converters 11A, 11B are designed as an adjustable step-down divider, so that the supply of the electrolysis system 1A, 1B with electrolysis current can be adapted and tracked to a fluctuating feed power from the power supply source 3 into the central supply line 5.
  • the step-down converters 11A, 11B can be designed, for example, as controllable step-down dividers with regulation of the output voltage via the method of pulse width modulation in non-intermittent operation, which enables continuous operation with particularly high performance.
  • an electrolysis system 1A, 1B in the system network 100 shown in FIG. 1, it is also possible for an electrolysis system 1A, 1B to be arranged, for example, at the foot of the tower of a respective wind turbine 19, and to be connected there directly to the central supply line 5. This is advantageous, for example, for on-shore applications and installations of wind turbines 19 in remote areas and for island grid operation.
  • a wind turbine 19 here also means a wind farm or a wind park - on-shore or off-shore, with a large number of wind turbines 19.
  • a connection to the public power grid 25 is alternatively or additionally possible on the side of the power supply source 3 in the system network 100.
  • a separate supply connection 23C is provided in the central supply line 5.
  • the connection to the public power grid 25 takes place via a connection transformer 27 and a downstream rectifier 13B with a DC voltage output 7.
  • the rectifier 13B is designed in such a way that its DC voltage output 7 is designed for the high voltage of the central supply line 5 and on a corresponding one Voltage level outputs the specified high voltage, that is, optionally, for example, medium voltage levels of 3 kV, 6 kV, 10 kV, 15 kV, 20 kV, 30 kV, or high voltage of 60 kV or 110 kV.
  • the voltage level can be flexibly adjusted and changed.
  • bidirectional operation is possible when using the supply connection 23C as a network connection, so that, if necessary, direct current can be fed in from the public power grid 25 into the central supply line 5 as well as direct current can be fed out from the DC network of the central supply line 5.
  • electricity from the public power grid 25 can therefore also be fed into the central supply line 5 in a voltage-adjusted manner at the supply connection 23C and made available for use for electrolysis purposes in the electrolysis system 1.
  • the advantage here is that by providing a connection to the public power grid 29, for example, replacement needs are covered, for example when the wind turbine 19 does not produce electricity or only produces it to a very limited extent due to maintenance, or during phases of a dark lull, so that a backup solution is available is to ensure the most continuous supply and consistent operation of the electrolysis systems 1A, 1B for hydrogen production.
  • one or more electrolysis systems 15A, 15B can be operated at partial load or taken off the DC network even if there is an undersupply of DC electrical power on the central supply line 5.
  • an adapted partial load operation is achieved in the respective connection line 9a, 9B by the controllable step-down converters 11A, 11B, by means of which the direct current power can be adjusted via the output voltage at the output of the step-down converter 11A, 11B.
  • a replacement requirement is generally not possible due to the lack of an available connection option to a public network 29.
  • System network 100 is an alternative power supply in FIG. Supply source 3 for supplying the electrolysis system lstrom 1 with direct current is shown.
  • the power supply source 3 has a photovoltaic system 21, with a large number of PV modules, not shown in detail.
  • the photovoltaic system 21 can, for example, be designed as a large-scale and powerful open-field system - preferably in sunny regions - so that PV outputs of 10 MW of electrical power and beyond are available for electrolysis.
  • an essentially analogous system concept as in FIG. 1 is used and corresponding system components, i.e. H .
  • the electrical connection and supply of the electrolysis systems 1A, 1B takes place via the central supply line 5, which in turn is designed as a central DC bus line or DC connection line.
  • the electrolysis system 1A is electrically connected to the supply connection s 23A and correspondingly the electrolysis system 1B to the supply connection s 23B via a respective connection line 9A, 9B.
  • the power supply source 3 has a photovoltaic system 21 as a power generator, a so-called PV generator.
  • step-up converter 17 is connected to the photovoltaic system 21.
  • the magnitude of the output voltage is always greater than the magnitude of the input voltage, so that the outward converter 17 provides the high voltage of the desired DC voltage level specified for a feed at the DC voltage output 7. The higher voltage reduces the material requirement and thus the costs of the cables after they are fed in by the power supply source 3.
  • the step-up converter 17 is designed for the working frequency voltage level and delivers the specified high voltage at the output.
  • the step-up converter 17 is designed to be controllable, so that flexible adjustment of the output voltage supplied is possible.
  • the power of the photovoltaic system 21 is coupled and fed into the central supply line 5 directly at the DC voltage output 7 of the step-up converter 17.
  • the electrolysis racks 1A, 1B - as described in more detail above - via a respective connection line 9A, 9B connected to the central supply line 5.
  • the respective step-down converters 11A, 11B also achieve a decoupling of the regulation of the electrolysis current requirements e in the connecting lines 9A, 9B and thus an individual mode of operation of these DC connecting strings, which is particularly important for partial load requirements. Feeding mains power from the public power grid 23 into the central supply line 5 is also possible in the PV application and is carried out in a design analogous to that described in FIG.
  • a number of electrolysis systems 1A, 1B are connected to the central supply line 5 for direct current, with a direct current at a predetermined high voltage being fed into the central supply line 5 via the direct voltage output 7.
  • a DC network is formed by the central supply line 5 and a central DC network is used as the supply topology for the electrolysis systems 1A, 1B.
  • the predetermined high voltage on the central supply line can be provided in a photovoltaic system 21 as a power supply source 3 by a step-up converter 17 with a DC voltage output 7 with an output voltage above 1.5 kV, in particular above 10 kV.
  • the central supply line 5 can also be operated with a direct voltage at a high voltage of 10 kV to 110 kV, preferably 30 kV to 60 kV.
  • Specified high voltages can optionally e.g. B.
  • the voltage level can be flexibly adjusted and changed, in particular by using controllable DC-DC converters as boost converters 17 and/or wait converters 11A, 11B.
  • boost converters 17 and/or wait converters 11A, 11B The same applies in the system network 100 for an optional additional connection to the public power grid 25 with regard to the rectifier 13B, which is more advantageous. is designed as a controllable rectifier 13B and for bidirectional operation.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Anlagenverbund (100) umfassend mindestens zwei Elektrolyseanlagen (1A, 1B), eine Stromversorgungsquelle (3) mit einem Gleichspannungsausgang (7) und eine zentrale Versorgungsleitung (5), wobei die zentrale Versorgungsleitung (5) an den Gleichspannungsausgang (7) der Stromversorgungsquelle (3) angeschlossen ist, so dass ein Gleichstrom in die zentrale Versorgungsleitung (5) einspeisbar und ein auf eine Hochspannung ausgelegtes zentrales DC-Netz bereitgestellt ist, an das die Elektrolyseanlagen (1A, 1B) über die zentrale Versorgungsleitung (5) angeschlossen sind. Die Stromversorgungsquelle (3) weist als Stromerzeuger eine Windenergieanlage (19) auf, an die ein Gleichrichter (13A) mit einem Gleichspannungsausgang (7) angeschlossen ist, wobei der Gleichspannungsausgang (7) auf die Hochspannung ausgelegt ist. Dabei ist mindestens eine der Elektrolyseanlage (1A, 1B) am Fuß des Turms der Windenergieanlage (19) angeordnet und dort direkt an die zentrale Versorgungsleitung (5) angeschlossen. Die Erfindung betrifft weiterhin eine eines DC-Netzes in einem derartigen Anlagenverbund, wobei eine Anzahl von Elektrolyseanlagen (1A, 1B) an eine zentrale Versorgungsleitung (5) für Gleichstrom angeschlossen wird, wobei in die zentrale Versorgungsleitung (5) über einen Gleichspannungsausgang (7) ein Gleichstrom bei einer vorgegebenen Hochspannung eingespeist wird.

Description

Beschreibung
Anlagenverbund umfassend mindestens zwei Elektrolyseanlagen und eine Stromversorgungsquelle
Die Erfindung betrifft einen Anlagenverbund umfassend mindestens zwei Elektrolyseanlagen und eine Stromversorgungsquelle. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Verwendung.
Eine Elektrolyseanlage ist eine Vorrichtung, die mit Hilfe von elektrischem Strom eine Stof f Umwandlung 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 einer Proton Exchange Membrane ( PEM) -Elektrolyse , einer Anion Exchange Membrane oder einer alkalischen Elektrolyse aus Wasser erzeugt. Die Elektrolyseanlagen produzieren mit Hilfe elektrischer Energie Wasserstoff und Sauerstoff aus dem zugeführten Wasser. Dieser Prozess findet in einem Elektrolysestack, zusammengesetzt aus mehreren Elektrolysezellen, statt. In dem unter einer Gleichspannung ( DC-Spannung) stehenden Elektrolysestack wird als Edukt Wasser eingebracht, wobei nach dem Durchlauf durch die Elektrolysezellen zwei Fluidströme, bestehend aus Wasser und Gasblasen (O2 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. Auf Basis von Wasserstoff kann beispielsweise sogenanntes Erneuerbare-Energien-Gas - auch als EE-Gas bezeichnet, hergestellt werden. Ein EE-Gas ist ein brennbares Gas, welches mit Hilfe elektrischer Energie aus erneuerbaren Quellen gewonnen wird. Wasserstoff stellt dabei einen besonders umweltfreundlichen und nachhaltigen Energieträger dar. Er hat das einzigartige Potential Energiesysteme, Verkehr und große Teile der Chemie ohne CCy-Emissionen zu realisieren. Damit dies gelingt, darf der Wasserstoff allerdings nicht aus fossilen Quellen stammen, sondern muss mit Hilfe von erneuerbaren Energie produziert werden. Inzwischen wird zumindest ein wachsender Anteil des aus erneuerbaren Quellen erzeugten Stroms in das öffentliche Stromnetz eingespeist. Somit kann entsprechend dem Strommix ein entsprechender Anteil grüner Wasserstoff erzeugt werden, wenn eine Elektrolyseanlage mit Strom aus dem öffentlichen Netz betrieben wird.
Bei im industriellen Maßstab ausgeführten Elektrolysen wird der Gleichstrom überwiegend über netzgeführte Gleichrichter bereitgestellt. Bei dieser Gleichrichtung einer netzseitigen Wechselspannung können aufgrund der Funktionsweise der Gleichrichter Ober Schwingungen entstehen, welche das Wechselstromnetz und/oder das Gleichstromnetz belasten können.
In der Of f enlegungsschif t EP 3 723 254 Al ist eine derartige Elektrolyseanlage offenbart, die an das öffentliche Stromnetz angeschlossen ist und entsprechend mit Netzstrom wird. Hierzu weist die Elektrolyseanlage eine Schaltungsanordnung auf, die vier Spulenanordnungen und vier Gleichrichter umfasst. Die ersten Spulen der Spulenanordnungen sind dabei jeweils mit der Gleichspannungsseite eines der Gleichrichter verbunden. Die Schaltungsanordnung umfasst weiterhin zwei Transformatoren, welche jeweils eine Primärwicklung sowie zwei Sekundärwicklungen aufweisen. Die Primärwicklungen der Transformatoren sind mit dem Stromnetz, z. B. einem Mittelspannungsnetz oder einem Hochspannungsnetz, verbunden. Auf diese Weise kann trotz des reduzierten Eisenanteils innerhalb der ersten Spule eine erwünschte Glättung des Gleichstroms, beziehungsweise die Dämpfung der Oberschwingungen erfolgen. Eine Quelle für erneuerbare Energien ergibt sich aus der zunehmenden Windkraftnutzung. Insbesondere mit küstennahen, sogenannten Of f shore-Windenergieanlagen lassen sich große elektrische Leistungen realisieren. Herausfordernd ist allerdings, dass eine große Distanz zu den Verbrauchern zu überwinden ist. Die Energie sollte also möglichst verlustfrei zum Verbraucher transportiert werden. Als Transportmedium und Energieträger 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 diesen Überlegungen heraus ist es von besonderem wirtschaftlichen Interesse, den Wasserstoff direkt am Ort der Energiegewinnung, also autark und unabhängig vom öffentlichen Netz, zu produzieren. Hierzu ist vorgeschlagen, die Elektrolyseanlagen auf Of f shore-Plattf ormen im maritimen Bereich direkt an Of f shore-Windenergieanlagen oder in deren unmittelbarer Nähe zu installieren und mit dem erzeugten Strom elektrisch zu versorgen.
Auch für das Festland wurden solche Konzepte vorschlagen, den Strom aus Onshore-Windkraf tanlagen oder Fotovoltaikanlagen zumindest teilweise durch eine direkte Anbindung an und Einspeisung in eine Elektrolyseanlage unmittelbar für eine Wasserstoff erzeugung zu nutzen. In all diesen Anwendungen ist die Elektrolyseanlage Teil eines so genannten Inselnetzes. Der Elektrolysestrom wird also nicht aus dem öffentlichen Netz bezogen, sondern direkt von einer Windenergieanlage oder einer PV-Anlage geliefert und in einen Elektrolyseur der Elektrolyseanlage eingespeist. Dabei kann möglicherweise noch eine Zwischenspeicherung der von einer Windenergieanlege oder eine PV-Anlage erzeugten elektrischen Energie beispielsweise in einer Batterie erfolgen. Im Gegensatz zu dem oben beschriebenen netzgeführten Betrieb bringt dies jeweils besondere Herausforderungen und Probleme hinsichtlich der elektrotechni schen Anbindung und Verschaltung der Elektrolyseanlage mit der j eweilige EE-Er zeugungsanlage mit sich , sei es eine Windenergieanlage oder eine Fotovoltai kanlage , insbesondere um einen s icheren und vor allem störungsfreien Betrieb der Elektrolysanlage in einem unmittelbaren Anlagenverbund mit der EE-Erzeugungsanlage zu gewährleisten .
Sowohl bei einem netzgeführten Betrieb al s auch bei einem Inselbetrieb besteht ein großer Bedarf nach technis chen Lösungen , um eine zuverläs sige und zugleich kostengünstige elektrische Anbindung einer oder mehrerer Elektrolyeanlage an den j eweiligen Stromerzeuger zu ermöglichen . Dies umso mehr , als in zunehmendem Maße sehr große und komplexe Elektrolyseanlagen oder Elektrolysesysteme mit einer Vielzahl von Elektrolyseuren gleichzeitig zu versorgen sind und an eine externe Stromquelle ent sprechend anzubinden sind .
Hierbei stellen sich insbesondere Fragen einer kostengünstigen Stromübertragung von der j eweiligen Stromversorgungsquelle zu den Elektrolyseanlagen , die bei diesen kombinierten Anlagen teilweise in einem konplexen Anlagenverbund zusammengeschlos sen s ind .
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde , einen Anlagenverbund anzugeben , bei dem eine möglichst zuverläs sige und kostengünstige ele ktris che Anbindung und Versorgung von Elektrolyseanlagen mit einer Stromversorgungsquelle erreicht wird , wobei eine hohe Betriebsflexibilität insbesondere hinsichtlich Teillastf ähigkeit der Elektrolyseanlagen erreicht ist .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Anlagenverbund umfas send mindestens zwei Elektrolyseanlagen , eine Stromversorgungsquelle mit einem Gleichspannungsausgang und eine zentrale Versorgungsleitung , wobei die zentrale Versorgungsleitung an den Gleichspannungsausgang der Stromversorgungsquelle angeschlos sen ist , so da s s ein Gleichstrom in die zentrale Versorgungsleitung einspeisbar und ein auf eine Hochspannung ausgelegte s zentrales DC-Net z bereitge stellt ist , an das die Elektrolyseanlagen über die zentrale Versorgungsleitung anges chlos sen s ind, wobei die Stromversorgungsquelle al s Stromerzeuger eine Windenergieanlage aufweist , an die ein Gleichrichter mit einem Gleichspannungsausgang angeschlos sen ist , wobei der Gleichspannungsausgang auf die Hochspannung ausgelegt ist , und wobei eine Elektrolyseanlage am Fuß des Turms der Windenergieanlage angeordnet und dort direkt an die zentrale Versorgungs leitung angeschlos sen i st .
Die Erfindung geht bereits von der Problemerkenntni s aus , das s sich bei einer Kombination von bisweilen verschiedenen externer Stromversorgungsquellen mit Elektrolyseanlagen zu einem Anlagenverbund Anschlus sfragen sowie Fragen der effizienten Stromübertragung stellen . Dies gilt sowohl für einen Inselbetrieb als auch für einen netzgeführten Betrieb bei einem Anschlus s der Elektrolyseanlagen an das öf fentliche Stromnetz . Je nach Entfernung der mit einem Gleichstrom zu versorgenden Elektrolyseure einer Elektrolyseanlagen zur j eweiligen Stromversorgungsquelle führt die Stromübertragung bei einer niedrigen Spannung zu einem sehr hohen Materialauf wand z . B . der verwendeten elektrischen Leiter , um die Übertragungsverluste möglichst zu begrenzen . Vor allem bei großer räumlicher Entfernung , beispielsweise falls etwa der Generator in einer Windenergieanlage s ich hoch in der Gondel befindet und die Elektrolyseanlage am Boden in der Nähe des Turms oder auch noch weitem Abstand angeordnet ist . Allein für dieses einfache Beispiel können leicht einige 100 m Kabelweg zu Buche schlagen , um eine Elektrolyseanlage zu versorgen und an eine Stromversorgungsquelle anzubinden . Allein die Leitungswege und der entsprechende Materialeinsat z führen zu einer signifikanten Kostenanteil für die Anschlus s und Versorgung der Elektrolyseanlage . Hinzu kommen Aufwand für ele ktri sche Einrichtungen für den Anschlus s und die Übertragung der Leis tung .
Als bekannte Lösungsansätze im industriellen Maß stab beispielswei se vorges chlagen , insbe sondere die Leitungsverluste dadurch zu verringern , das s die Stromstärke reduziert und die Spannung erhöht wird. Um die Übertragungs Spannung zu erhöhen, werden häufig Transformatoren eingesetzt. Diese benötigen dafür ein Wechselspannungssystem, also ein AC-Netz, welches auf einen Netzbetrieb bei auf eine Frequenz von derzeit 50 Hz bis 60 Hz ausgelegt ist. Tatsächlich werden durch die größer gewählte Übertragungsspannung die Übertragungsverluste über die Anschluss- und Versorgungsleitungen verringert. Diese Ausgestaltung bringt aber auch Nachteile mit sich, da die Transformatoren entsprechend groß, schwer und teuer sind.
Auch führt die Kombination von Erneuerbaren Erzeugungsanlagen (EE-Anlagen) mit Elektrolyseuren, die meistens schon Gleichspannung bereitstellen, eine mehrfache Umwandlung der Spannungsform (DC-AC-DC) zu erhöhten Verlusten und Kosten. Daher sollte die Umwandlung von Strom auf dem Weg von der Stromversorgungsquelle zu den Elektrolyseanlagen auf ein minimal nötiges Maß reduziert werden.
Gerade bei On-Shore Wind- und Solaranlagen wird häufig ein paralleler Anschluss des Wind-/Solarparks an das öffentliche Stromnetz gefordert, das mit Wechselstrom betrieben wird. Daraus leitet sich die Problemstellung ab, eine optimale Versorgungstopologie zu finden, die sowohl die Anzahl der Umwandlungen, die Kosten der Stromverteilung, wie etwa Materialkosten für Kupfer und Aluminium, die Netzrückwirkungen und die Teillastfähigkeit der Elektrolysesysteme berücksichtigt.
Bisherige Ansätze bieten hier keine zufriedenstellenden Konzepte an, es mangelt an integrierten Lösungen an. Es werden bestehende Systeme verwendet, die einfach aneinandergekoppelt werden. Daraus resultieren unnötig hohe und im industriellen Maßstab wirtschaftlich nicht akzeptable Umwandlungs Verluste in einem Anlagenverbund.
Um das Anschluss- und Übertragungsproblem in einem Anlagenverbund mit einer Anzahl von Elektrolyseanlagen möglichst kostengünstig und effizient zu lösen, schlägt die Erfindung die Anbindung der Elektrolyseanlagen über ein dafür eigens eingerichtetes und zentrales DC-Netz vor. Dieses DC-Netz stellt die vorgegebene Hochspannung und elektrische Leistung auf der zentralen Versorgungsleitung bereit und fungiert als Übertragungs- und -verteilnetz für den Gleichstrom. Über das zentrale DC-Netz wird die erforderliche Übertragungsleistung von der Stromversorgungsquelle zu den Elektrolyseanlage gebracht, so dass der Elektrolysestrom zur Verfügung steht. Die Hochspannung des höherfrequenten DC-Netzes ist dabei flexibel auf einen erforderlichen Gleichspannungs-Anschlusswert wählbar und einstellbar.
Damit ist es möglich, dass der Gleichspannungs-Output eines Generators oder einer Solaranlage bereits mit einer geeignet hohen Spannung auf der vorgegebenen Hochspannung ausgegeben und die Gleichstromleistung in die zentrale Versorgungsleides DC Netzes unmittelbar oder über einen DC-DC-Wandler eingespeist wird. Die vorgegebene Hochspannung, die deutlich über der üblichen öffentlichen Netzspannung liegt reduziert den Materialbedarf und damit die Kosten der Leitungen nach der Stromquelleversorgungsquelle. Somit sind je nach erforderlicher Anschlussleistung für die angeschlossenen Elektrolyseanalgen beispielsweise Gleichspannungen von mehreren Kilovolt bis zu 100 kV und entsprechende Übertragungsleistungen möglich, auf die das DC-Netz ausgelegt ist und an Versorgungsanschluss der Versorgungsleitung bereitgestellt sind.
Von besonderem Vorteil ist, dass die Erfindung es ermöglicht, besonders kostengünstig auch größere Leitungsabstände zwischen der Stromversorgungsquelle und den Elektrolyseanlagen zu überwinden, ohne eine erneute AC-Umwandlungen für eine Hoch- und Abwärtstransformation durchführen zu müssen. Hierzu wären mehrere mehrerer Transformatoren erforderlich, was kostenmäßig zu Buche schlägt. Dadurch ist insbesondere in abgelegenen Gegenden ein Inselnetzbetrieb und entsprechende direkte DC-Anbindung der Elektrolyseanlagen wirtschaftlich möglich, wie etwa bei entlegenen On-Shore Windenergieanlagen. Übertragungsstrecken von mehreren Kilometern bis zu mehreren 100 km sind flexibel möglich. Das Hochspannungsnetz auf der zentralen Versorgungsleitung ist auf den jeweiligen Anwendungsfall hinsichtlich Stromversorgungsquelle, Gleichspannungsebene, Übertragungs- und Verteilweg und Abnahmeleistung der angeschlossenen Elektrolyseanalgen flexibel auslegbar, anpassbar und regelbar. Dadurch ist eine unmittelbare Versorgung und Gleichstromanbindung einer jeweiligen Elektrolyseanlage möglich sowie ein Teillastbetrieb, wobei gegenüber einer AC-Zwischenkreis Umwandlungsverluste vermieden sind. Transformatoren können eingespart werden. Über die Stromversorgungsquelle ist an dem Gleichspannungsausgang ein Gleichstrom in die zentrale Versorgungsleitung einspeisbar. Die Elektrolyseanlagen in dem Anlagenverbund sind an die zentrale Versorgungsleitung jeweils schlossen und beziehen die elektrische Gleichstromleistung für den Elektrolyseprozess aus dem zentralen DC-Netz.
Dadurch ist sehr eine vorteilhafte Anbindung einer beliebigen Anzahl von Elektrolyseanlagen an die Stromversorgungsquelle über die zentrale Versorgungsleitung erzielt, wobei die zentrale Gleichstrom-Versorgungsleitung als DC-Bus-Leitung in dem Anlagenverbund wirkt. Von Vorteil ist die besonders verlustarmen Übertragbarkeit der Gleichstromleistung auch über größere Distanzen. Dadurch können gegenüber herkömmlichen Anbindungen und Auslegung auf eine verfügbare Wechselstrom- Netzfrequenz insbesondere Materialkosten für Leitungen und zahlreiche Anschlusstransformatoren eingespart werden, aber auch Bauraum für die Anlagenteile. Um eine entsprechende Anschlussleistung zu gewährleisten ist es auch möglich, dass ein oder mehrere insbesondere elektrisch parallel geführte DC-Stränge vorhanden sind, die im Sinne der vorliegenden Erfindung die zentrale Versorgungsleitung bilden.
Das Konzept mit der zentralen Gleichstrom-Versorgungsleitung ist dabei einfach skalierbar und sehr flexibel hinsichtlich der Anzahl der über das DC-Netz versorgten Elektrolyseanlagen und der Art der Stromversorgungsquelle. Das DC-Netz auf der zentralen Versorgungsleitung schafft überdies eine Entkopp- lung bzw. Unabhängigkeit hinsichtlich der möglichen Erzeugungsarten der in die zentrale Versorgungsleitung eingespeisten elektrischen Leistung. So kann der Anlagenverbund auf ein Inselnetzbetrieb ausgelegt sein oder aber ein Anschluss an ein öffentliches Netz ist möglich. Es sind auch vorteilhafte Kombinationen möglich und ein Bezug aus verschiedenen Stromversorgungsquellen, wie etwa aus Windenergie, Fotovoltaik oder Wasserkraft.
Dabei ist es bei dem Anlagenverbund der Erfindung vorgesehen, dass die Stromversorgungsquelle als Stromerzeuger zumindest eine Windenergieanlage aufweist, an die ein Gleichrichter mit einem Gleichspannungsausgang angeschlossen ist, wobei der Gleichspannungsausgang auf die Hochspannung ausgelegt ist.
Auf diese Weise ist in dem Anlagenverbund über die zentrale DC-Versorgungsleitung eine Anbindung bzw. Gleichstromanschluss und Versorgung der Elektrolyseanlage durch eine Windenergieanlage erreicht, wobei ein Inselnetzbetrieb vorteilhaft möglich ist. Wird der Anlagenverbund in einem Inselnetz betrieben, so erfolgt keine Anbindung an das öffentliche Stromnetz. Somit ist die Netzfrequenz des öffentlichen Stromnetzes von 50 Hz bis 60 Hz unbeachtlich für die Auslegung und den Betrieb der elektrischen Komponenten im frequenzunabhängigen DC-Netz . Insbesondere entfallen Kosten für Komponenten und Umwandlungsverluste , beispielsweise Transformatoren, oder für die erforderliche Umrichtung, Übertragung oder erneute Gleichrichtung. Hierdurch ergibt sich eine günstigere Kostenposition, bei gleichzeitiger Flexibiliät bei der Auslegung und Auswahl der Anschlusskomponenten im DC-Netz. Ein netzfrequenzunabhängiger Betrieb ist mit der als DC-Bus ausgestalteten zentralen Versorgungsleitung erzielt.
Somit ist es vorteilhaft möglich kostengünstig größere Abstände und Leitungswege zwischen den Stromerzeugern und den Elektrolyseanlagen zu überwinden, ohne eine erneute AC- Umwandlung für eine Hoch- und Abwärtstransformation durchfüh- ren zu müssen, die nur mittels mehrerer Transformatoren zu bewerkstelligen ist.
Überdies erlaubt das individuelle Regeln bzw. Zu- und Abschalten von vorzugsweise eingesetzten DC/DC-Wandlern eine sehr genaue Anpassung der Elektrolyseeinheiten an die (fluktuierende) Leistungsabgabe des Stromerzeugers. Unterschreitet eine einzelne Elektrolyseeinheit einen kritischen Schwellwert der Leistungsaufnahme, so steigt die Wasserstoff- Gaskonzentration auf der Sauerstoff seite unzulässig hoch an, sodass Explosionsgefahr bestünde. Somit können kritische Zustände vermieden und ein sicherer Teillastbetrieb ermöglicht.
Zudem ist es bei der Erfindung vorgeschlagen in dem Anlagenverbund eine Elektrolyseanlage am Fuß des Turms einer Windenergieanlage angeordnet und dort direkt an die zentrale Versorgungsleitung für Gleichstrom angeschlossen. Es ist vor allem bei entlegenen On-shore Windenergieanlagen besonders vorteilhaft in dem Anlagenverbund eine Elektrolyseanlage in der Nähe der Windenergieanlage an die DC-BUS-Leitung anzuschließen. Wenn dann vorzugsweise DC/DC-Wandler eingesetzt werden, ist die Zwischenleitung mit hoher Gleichspannung ausgeführt, so dass Materialeinsatz, wie insbesondere Kupfer und Aluminium verringert und die Herstellungskosten entsprechend gesenkt sind .
In besonders bevorzugter Ausgestaltung des Anlagenverbunds sind die Elektrolyseanlagen bezüglich der zentralen Versorgungsleitung parallel zueinander geschaltet sind, wobei eine Elektrolyseanlage über eine jeweilige Anschlussleitung an die zentrale Versorgungsleitung angeschlossen ist.
Hierdurch kommen die Vorteile des DC-Bus Prinzips mit der zentralen Gleichstrom-Versorgungsleitung zu Geltung, welches eine jeweilige unabhängige Anschlussleitung für eine Elektrolyseanlage ermöglicht und diese auch vorsieht. In dem Anlagenverbund ist das zentrale DC-Versorgungsnetz bedarfsweise flexibel ausbaufähig und um weitere Elektrolyseanlagen erwei- terbar, eventuell unter Anpassung der Einspeiseleistung der in das DC-Netz einspeisenden Stromversorgungsquellen hinsichtlich der notwendigen Abnahmeleistung der Elektrolyseure.
In bevorzugter Ausgestaltung ist in eine Anschlussleitung ein Abwärtswandler geschaltet ist, dessen Eingangs Spannung der Hochspannung im zentralen DC-Netz entspricht und dessen Ausgangsspannung auf eine jeweilige Betriebsspannung der Elektrolyseanlage ausgelegt ist.
Der Einsatz von ggf. mehreren in eine Anschlussleitung paralleler geschalteten modular aus geführten Hochstrom-DC/DC- Wandler ist dabei besonders vorteilhaft. Hierdurch ist eine industrielle Anwendung in Kombination in einem Anlagenverbund mit einer Elektrolyseanlage ermöglichst.
Der Abwärtswandler (englisch: buck-converter, step-down- converter) wandelt eine Eingangs Spannung in eine niedrigere Ausgangsspannung. Er wird auch Tiefsetzsteller genannt.
Eine Anschlussleitung bildet dabei vorteilhafterweise einen zentralen DC-Strang oder einen DC-Abzweig von der zentralen Versorgungsleitung für eine oder mehrere mit Gleichstrom betreibbare Elektrolyseanlagen oder Elektrolyseure. An einem oder mehreren solcher zentralen DC-Abzweigsträngen können somit vorteilhafterweise mittels regelbarer DC/DC-Wandler , insbesondere so genannte Tiefsetzsteller oder Abwärtswandler beliebig viele und beliebig dimensionierte Elektrolyseanlagen angeschlossen werden.
Die DC/DC-Wandler senken die DC-Spannung ohne nennenswerte Umwandlungsverluste individuell auf die gewünschten Werte ab. Somit sind in dem Anlagenverbund sowohl die Elektrolyseanlagen bezüglich der Elektrolyseleistung regelbar als auch zu- und abschaltbar. Eine Teillastfähigkeit bzw. Teillastansteuerung ist über die Regelung der Elektrolysestroms erzielt.
Durch eine Abstimmung der Leistungsregler wird die Inselnetzfähigkeit sichergestellt, was bei abgelegenen On-Shore- Anlagen oder Of f-Shore-Anlagen erhebliche Kostenvorteile bringt. Um höhere Elektrolyseströme bereitzustellen, können bedarfsweise mehrere DC/DC-Wandler parallelgeschaltet und in in einer Anschlussleitung eingesetzt werden.
In bevorzugter Ausgestaltung ist daher der Abwärtswandler als ein regelbarer Tiefsetzsteller ausgestaltet, so dass die Versorgung der Elektrolyseanlage mit Elektrolysestrom an eine fluktuierende Einspeiseleistung der Stromversorgungsquelle in die zentrale Versorgungsleitung anpassbar ist.
Mit der Regelbarkeit des Tief setzstellers ist eine flexible und hinsichtlich der Elektrolyseleistung anpassbare Versorgung der Elektrolyseanlage mit Elektrolyse-Gleichstrom in einer Anschlussleitung möglich. Ob ein kontinuierlicher oder ein lückender Betrieb des Abwärtswandlers vorliegt, hängt von Induktivität, Schaltfrequenz, Eingangsspannung, Ausgangsspannung und dem fließenden Ausgangsstrom ab. Da sich diese Parameter teilweise rasch ändern können, muss im Allgemeinen bei der Auslegung der Schaltung, insbesondere eines Reglers, der Übergang zwischen den beiden Betriebsarten berücksichtigt (z. B. verhindert) werden. Die beiden Betriebsarten unterscheiden sich hinsichtlich der Steuer kennlinie , also der Abhängigkeit der Ausgangsspannung vom Tastgrad (s. u. ) , sowie in Bezug auf die Störausstrahlung.
Bevorzugt ist der Abwärtswandler als ein regelbarer Tiefsetzsteller mit einer Regelung der Ausgangsspannung über das Verfahren einer Pulsweitenmodulation im nichtlückenden Betrieb ausgestaltet ist. Auf diese Weise ist ein kontinuierlicher Betrieb des Tiefsetzstellers erreicht und eine Regelbarkeit des der Elektrolyseanlage zugeführten Elektrolysestroms.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung ist in dem Anlagenverbund die Windenergieanlage ohne ein mechanisches Getriebe - also getriebelos - ausgeführt und für den Betrieb mit variabler Rotorf requenz ausgelegt, wobei die Windenergieanlage ei- nen Generator aufweist, dessen Wechselstromausgang an den Eingang des Gleichrichters angeschlossen ist.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung weist die Stromversorgungsquelle als Stromerzeuger eine Fotovoltaikanlage mit einem Gleichspannungsausgang auf, wobei der Gleichspannungsausgang auf die Hochspannung ausgelegt ist, und wobei der Gleichspannungsausgang an die zentrale Versorgungsleitung angeschlossen ist.
Damit kann das Gleichspannungsniveau am Gleichspannungsausgang flexibel an die vorgegebene Hochspannung auf der zentralen DC-Versorgungsleitung angepasst werden. Bedarfsweise sind zur Einstellung des vorgegebenen Gleichspannungsniveau am Gleichspannungsausgang Aufwärtswandler, so genannte Hochsetzsteller dem PV-generator nachgeschaltet. Dies wird dann geboten sein, wenn der DC-Ausgang der Fotovoltaikanlage selbst kein ausreichend hohes Gleichspannungsniveau zur Einspeisung in die zentrale Versorgungsleitung liefert.
Mit dieser Ausgestaltung ist in dem Anlagenverbund über das zentrale DC-Netz auf der Versorgungsleitung eine vorteilhafte Anbindung bzw. Anschluss und Versorgung der Elektrolyseanlage mit aus einer eine Fotovoltaikanlage gewonnenem Strom erreicht. Dabei ist ein Inselnetzbetrieb basierend auf Fotovoltaik möglich. In analoger Betrachtung und entsprechen der Vorteile wie bei dem oben beschriebenen Anschluss der Elektrolyseanlage an eine Windenergieanlage erfolgt in einem Inselnetz ein von der öffentlichen Netzfrequenz unabhängiger Betrieb, was besonders große Auslegungsflexibilität ermöglicht und autarke Einsatzmöglichkeiten abseits des öffentlichen Stromnetzes. Somit ist die Netzfrequenz des öffentlichen Stromnetzes von 50 Hz bis 60 Hz unbeachtlich für die Auslegung und den Betrieb der elektrischen Komponenten innerhalb des DC-Netzes . Hier ist allenfalls für eine bedarfsweise Spannungserhöhung des PV-Generators ein Hochsetzsteller (DC/DC-Wandler) vorzusehen, um die passgenaue Einspeisung von Gleichstrom mit der vorgegebenen Hochspannung in die zentrale Versorgungsleitung zu bewirken.
In bevorzugter Ausgestaltung weist die Stromversorgungsquelle als Stromerzeuger eine Wasserkraftanlage mit einem Generator auf, wobei an den Generator ein Gleichrichter mit einem Gleichspannungsausgang angeschlossen ist.
Dabei ist es möglich und vorteilhaft, dass bei einer Wasserkraftanlage ein Generator zum Einsatz kommt, der bereits unmittelbar am Generatorausgang eine höhere Frequenz als die Netzfrequenz ausgibt. Somit kann der Generator der Wasserkraftanlage etwa vorteilhaft auf die Frequenz des Wechselspannungseingangs des Gleichrichters ausgelegt werden. Umgekehrt ist auch eine Anpassung und Auswahl des Gleichrichters an die jeweiligen Ausgangsfrequenz des Generators der Wasserkraftanlage flexibel möglich. Aus dieser geringeren Komplexität und Komponentenzahl können sich bei Anbindung an eine Wasserkraftanlage zusätzliche Kostenvorteile ergeben, wobei auch hier ein Inselnetzbetrieb des Anlagenverbunds möglich ist. Über die Polzahl und die Rotationsgeschwindigkeit ergibt sich die Ausgangsgeschwindigkeit und damit Wechselstromfrequenz des Generators. Insbesondere Generatoren für Wasserkraftanlagen sind daher für einen höherfrequenten Wechselstromausgang verfügbar, so dass in dem Anlagenverbund ein entsprechender Gleichrichter mit einem auf eine höhere Frequenz ausgelegten Eingang zur Anwendung kommt. Hierdurch ist ein Netzunabhängiger Betrieb, d.h. ohne eine notwendige Berücksichtigung der Netzfrequenz des öffentlichen Stromnetzes, sehr vorteilhaft möglich. Eine frequenzangepasste Einkopplung, etwa vermöge teurer und großer Transformatoren, ist bei dem zentralen DC-Netz daher nicht erforderlich bzw. entfällt.
In weiter bevorzugter Ausgestaltung ist die Stromversorgungsquelle durch das öffentliche Stromnetz gebildet ist, wobei ein Gleichrichter vorgesehen ist, dessen Gleichspannungsausgang auf die Hochspannung der zentralen Versorgungsleitung ausgelegt ist. Dadurch ist in dem Anlagenverbund bedarfsweise und vorteilhaft ein Netzanschluss vorgesehen, über den ein von dem Gleichrichter gleichgerichteter Netzstrom bei der vorgegebenen Hochspannung in die zentrale Versorgungsleistung einspeisbar ist. Es ist der Netzanschluss vorteilhaft für einen bidirektionaler Betrieb eingerichtet, so dass es auch möglich ist, dass elektrische Leistung aus der zentralen Versorgungsleitung in das öffentliche Netz eingespeist wird. Diese Netzeinspeisung in das öffentliche Stromnetz kann erforderlich sein, um bei einer verringerter Abnahmeleistung der Elektrolyseanlagen oder einer ggf. temporärem Überproduktion von EE- Strom auf Seiten der Stromerzeugungsanlagen, d.h. einer Windenergieanlage, einer Fotovoltaikanlage oder einer Wasserkraftanlage, die Leistung nutzbringend abzuführen.
Dabei ist es auch möglich und vorteilhaft, dass in dem Anlagenverbund die Stromerzeugungsquelle aus Kombinationen verschiedener Stromerzeuger, wie etwa Windenergieanlage, Fotovoltaikanlage oder Wasserkraftanlage gebildet ist bzw. gespeist ist, die über jeweilige Gleichspannungsausgang an die zentrale Versorgungsleitung angeschlossen sind.
Der Anlagenverbund ist damit vorteilhaft für eine bedarfsweise Anbindung an das öffentliche Stromnetz ausgestaltet und eingerichtet. Somit ist ein Netzbetrieb als auch ein Inselbetrieb möglich. Soll eine Anbindung an das öffentliche Stromnetz erfolgen, so es möglich und auch zu bevorzugen, dass der Gleichrichter als ein zentraler Gleichrichter, z.B. als zentrale Gleichrichterstation, mit entsprechender Leistungsfähigkeit ausgeführt ist, um Komponenten zu sparen und einen zentralen Anschlusspunkt für die Abnahme und Gleichrichtung von Netzstrom vorzusehen. Diese Art der zentralen Anbindung an das öffentliche Stromnetz über einen zentralen Gleichrichter kann beispielsweise besonders einfach am Netzanschlusspunkt einer Windenergieanlage oder eines Windparks realisiert werden, wobei eine bidirektionale Nutzung vorgesehen ist. Dabei wird bei einer Einspeisung in die zentrale Versorgungsleitung eine Gleichrichtung von Netzstrom durchgeführt und bei einer Einspeisung in das öffentliche Stromnetz eine Wechselrichtung von aus dem DC-Netz entnommenem Gleichstrom aus der zentralen Versorgungsleitung .
Soll z.B. ein Wind- oder Solarpark zusätzlich an das öffentliche Stromnetz angeschlossen werden, kann mit dem dafür vorgesehenen zusätzlichen Gleichrichter bzw. Wechselrichter eine Netzanbindung des durch die zentrale Versorgungsleitung gebildeten zentralen DC-Netzes realisiert werden. Die Spannungsebene der DC-Stränge kann dabei flexibel bereits so gewählt werden, dass zur Anbindung an das Stromnetz kein zusätzlicher Transformator benötigt wird. Der Gleichrichter bzw. Wechselrichter kann die Spannung ausgangs seifig in dem DC-Strang selbständig regeln, indem er entweder zusätzliche Leistung aus dem Netz aufnimmt oder überschüssige Leistung in das Netz einspeist.
Vorzugsweise ist dieser Gleichrichter- bzw. Wechselrichter auf IGBT-Basis (Insulated Gate Bipolar Transistor) Bipolar ausgeführt, da in diesem Fall die Netzrückwirkungen gering sind, was Einsparungen bei Filter und Blindleistungskompensationsanlage ermöglichst. Zusätzliche können Netzdienstleistungen erbracht werden. Dies ist insbesondere beim Anschluss an schwache Netze, beispielsweise durch eine lange Stichleitung von großem Vorteil.
Ein IGBT ist ein in der Leistungselektronik gerne verwendetes Bauteil, da es Vorteile des Bipolartransistors wie gutes Durchlassverhalten, hohe Sperrspannung, Robustheit und die Vorteile eines Feldeffekttransistors mit einer nahezu leistungslosen Ansteuerung vereinigt. Die markanten Vorteile von IGBTs sind die hohen Spannungs- und Stromgrenzen mit Betriebsspannungen von bis zu 6500 V und Strömen von bis zu 3600 A bei einer Leistung von bis zu 100 MW. Dadurch ist der IGBT in dem Gleichrichter 15 für den Arbeitsbereich des Elektrolyseurs 3 ideal einsetzbar. Denkbar ist je nach Anwendung auch die Verwendung eines so genannten IGCT, d.h. eines integrated gate-commutated thyristors. Dieser weist einen verringerten Beschaltungsaufwand, eine Erhöhung der maximalen Pulsfrequenzen zur Ansteuerung sowie bessere Schaltzeiten bei Reihenschaltung auf, was vorteilhaft ist. Das Einsatzgebiet von IGCTs sind Stromrichter hoher Leistung. Ein einzelnes Modul schaltet dabei typischerweise einige Kiloampere bei einer typischen Sperrspannung von 4500 V.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung weist die Stromversorgungsquelle einen Aufwärtswandler mit einem Gleichspannungsausgang aufweist, mittels dessen eine vorgegebene Hochspannung für die zentrale Versorgungsleitung bereitstellbar ist.
Der Aufwärtswandler, auch Hochsetzsteller oder Aufwärtsregler, englisch Boost-Converter oder Step-Up-Converter , ist in der Elektronik eine Form eines Gleichspannungswandlers. Der Betrag der Ausgangsspannung ist stets größer als der Betrag der Eingangsspannung. Damit kann das Gleichspannungsniveau am Gleichspannungsausgang flexibel an die vorgegebene Hochspannung auf der zentralen DC-Versorgungsleitung angepasst werden. Die Verwendung eines Hochsetzstellers ist insbesondere im Zusammenschaltung mit einem PV-Generator als Stromversorgungsquelle vorteilhaft, wobei die PV-Gleichspannung hochgesetzt wird, so dass am Gleichspannungsausgang die vorgegebene Hochspannung für die Einspeisung in die zentrale Versorgungsleitung bereitgestellt ist.
Ein weiterer, besonders bevorzugter Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung eines DC-Netzes in dem beschriebenen einem Anlagenverbund, wobei eine Anzahl von Elektrolyseanlagen an eine zentrale Versorgungsleitung für Gleichstrom angeschlossen wird, wobei in die zentrale Versorgungsleitung über einen Gleichspannungsausgang ein Gleichstrom bei einem vorgegebenen Anschlusswert für die Hochspannung eingespeist wird.
Bei der Verwendung wird ein Hochspannungs-Gleichstrom mit einer vorgegebenen Hochspannung deutlich oberhalb der Netzspannung an den Anschlüssen der zentralen Versorgungsleitung be- reitgestellt . Somit sind die Ele ktrolyseure der an die zentrale DC-Bus-Leitung angeschlos senen Elektrolyseanlagen zentral über ein Gleichstromnetz individuell versorgbar .
Bevorzugt wird bei der Verwendung die vorgegebene Hochspannung auf der zentralen Versorgungsleitung durch einen Aufwärt swandler mit einem Gleichspannungsausgang mit einer Ausgangs spannung oberhalb 1 , 5 kV, insbe sondere oberhalb 10 kV, bereitgestellt .
Besonders bevorzugt wird bei der Verwendung die zentrale Versorgungsleitung mit einer Gleichspannung bei einer Hochspannung von 10 kV bis 110 kV, vorzugsweise 30 kV bis 60 kV, betrieben wird .
Durch den zentralen DC-Strang entfällt gegenüber einer wechselstrombasierten Versorgung weitestgehend der Einsatz von Transformatoren . Der Material- und Bauraumeinsatz aufgrund Gewicht Größe von benötigten Transformatoren bei einer AC- Netzanbindung können infolge der Aus legung und Festlegung eines zentralen Hochspannungs-Gleichstrom-Versorgungsnetzes erheblich reduz iert werden . Dadurch sinkt der Materialeinsatz vor allem bezüglich Eisen und Kupfer , wodurch wiederum weniger Bauraum benötigt wird .
Die Erfindung ist besonders vorteilhaft für die Anbindung bzw . den elektrischen Anschlus s von vorzugswei se On-shore- Windenergieanlagen an Elektrolyseanlagen in einem Anlagenverbund einsetzbar . Dort wird herkömmlicherweise der Generatorstrom bei Anbindung an das AC-Netz in den herkömmlichen Anwendungen mit einem Wechselrichter (AC-DC-AC ) auf konstante 50 Hz Ausgangsfrequenz gebracht , damit die Windturbine ohne ein mechanisches Getriebe - als so genannte „getriebelose'' Windenergieanlage - und variabler Rotorfrequenz angeschlos sen werden kann . Soll eine Elektrolyseanlage anges chlos sen werden , kann die se nunmehr z . B . einfach am Fuß de s Turms direkt an die zentrale DC-Versorgungsleitung ( DC-Bus-Leitung ) angeschlos sen werden . Da DC/DC-Wandler verwendet werden , kann die Zwischenleitung mit hoher Spannung ausgeführt werden um Material, wie insbesondere Kupfer und Aluminium zu sparen und die Kosten zu senken.
Über die parallele Anbindung mehrerer Elektrolyseanlagen umfassend jeweils eine Reihenschaltung von Elektrolyseuren kann eine gute Teillastf ähigkeit des gesamten Elektrolysesystems an der zentralen DC-Versorgungsleitung erzielt werden. Bei Bedarf kann die Leistung des Windenergieanlage an das AC-Netz abgegeben werden. Dies kann der Fall sein, wenn die Elektrolyseanlage eine Störung aufweist, Elektrolyseure der Elektrolyseanlage in Wartung sind oder wenn die Elektrolyse nicht auf die Peak-Leistung des Windenergieanlage ausgelegt ist.
Bei einer besonders vorteilhaft erscheinenden Anwendung in einem Inselnetz, kann auf einen netzseitigen Konverter verzichtet werden und zwischen dem Generator und einer jeweiligen Elektrolyseanlage mit den Elektrolyseuren wird nach dem gleichen Prinzip eine Verbindung zu der zentralen Versorgungsleitung über eine jeweilige Anschlussleitung eingerichtet. In diesem Fall reduziert sich der Bedarf an Transformatoren erheblich. Es wird - auch nur bedarfsweise - maximal ein vergleichsweise klein dimensionierter, hochfrequenter Transformator zur galvanischen Entkopplung benötigt, um mit einer hohen Spannung einen kostengünstigen Anschluss der Elektrolyse an den Generator zu gewährleisten.
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Anlagenverbunds der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der entsprechenden Verwendung anzusehen und umgekehrt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den einzigen Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der je- weils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen schematisch und stark vereinfacht :
FIG 1 einen Anlagenverbund mit einer Elektrolyseanlage und einer Windenergieanlage;
FIG 2 einen Anlagenverbund mit einer Elektrolyseanlage und einer Fotovoltaikanlage.
Gleiche Bezugszeichen haben in den Figuren die gleiche Bedeutung .
In FIG 1 ist ein Anlagenverbund 100 gemäß der Erfindung dargestellt. Der Anlagenverbund 100 umfasst ein Elektrolysesystem 1 mit zwei Elektrolyseanlagen 1A, 1B sowie eine an das Elektrolysesystem 1 angeschlossene Stromversorgungsquelle 3. Die Stromversorgungsquelle 3 weist als Stromerzeuger eine Windenergieanlage 19 auf, die als Erneuerbare-Energie-Anlage (EE-Anlage) und Quelle für grünen Strom dient. Die Versorgung der Elektrolysesystems 1 mit Elektrolysestrom erfolgt über eine zentrale Versorgungsleitung 5, die mit Gleichspannung beaufschlagt ist, mithin ist durch die zentrale Versorgungsleitung 5 eine zentrale DC-BUS-Leitung gebildet, mittels derer das Elektrolysesystem 1 direkt ein Gleichstrom für die Elektrolyseprozess zuführbar ist.
Dabei ist jede der Elektrolyseanlagen 1A, 1B des Elektrolysesystems 1 über eine jeweilige Anschlussleitung 9A, 9B an einen Versorgungsanschluss 23A, 23B an die zentrale Versorgungsleitung 5 angeschlossen, so dass eine Parallelschaltung der Elektrolyseanlagen 1A, 1B realisiert ist. Dabei weist die Elektrolyseanlage 1A wenigstens einen Elektrolyseur 15A auf und die Elektrolyseanlage 1B wenigstens einen Elektrolyseur 15B . Die Elektrolyseure 15A, 15B können wahlweise als PEM- Elektrolyseur , als AEM-Elektrolyseur (AEM : Anion-Exchange- Membran ) oder als alkalischer Elektrolyseur ausgestaltet sein , wobei auch Kombinationen möglich sind . Dabei ist es möglich , das s eine Viel zahl von Elektrolyseuren 15A, 15B in einem über die ent sprechende Ans chlus sleitung 9A, 9B zu versorgenden Strang der j eweiligen Elektrolyseanlage 1A, 1B hin- tereinanderge schaltet i st .
Auf Seiten der Stromversorgungsquelle 3 i st der Windenergieanlage 19 ausgangs seitig eines Generators der Windenergieanlage 19 ein Gleichrichter 13A nachge schaltet , der einen Gleichspannungsausgang 7 aufweist . Somit kann ein durch den Generator der Windenergieanlage 19 erzeugter Wechselstrom in einen Gleichstrom bei einer vorgegebenen Hochspannung am Gleichspannungsausgang 7 in die zentrale Versorgungsleitung 5 eingespei st werden . Hierdurch ist ein auf eine Hochspannung ausgelegtes zentrales DC-Net z realis iert . Zur Einkopplung der durch die Windenergieanlage 19 erzeugten und in das Gleichzentrale einspeisten Leistung sind beim Anschlus s der der Windenergieanlage 19 an die zentralen Versorgungsleitung 5 sind keine weiteren aktiven Komponenten wie Transformatoren erforderlich , so das s eine besonders einfache Versorgungstopologie reali siert ist .
Das Gleichspannungsniveau am Gleichspannungsausgang 7 des Gleichrichters 13A ist flexibel an die j eweilige Anforderung in dem Anlagenverbund 100 anpas sbar , wobei eine hohe Ausgangs spannung als vorgegebene Hochspannung gewählt wird , die bevorzugt größer als 1 , 5 kV ist . Hier kann bei der Auslegung und Ausge staltung des zentralen DC-Netzes durch die zentrale Versorgungsleitung 5 beispielsweise auch auf die Nennspannungen der in der Energieübertragung gebräuchlichen Netzebenen zurückgegriffen werden , oder die se Werte können als Anhaltspunkte für da s Gleichspannungsniveau dienen . Hierbei wird elektrische Energie auf Hochspannungsleitungen in verschiedenen Netzebenen der Mittelspannung und Hochspannung mit folgenden üblichen Nennspannungen übertragen : Mittelspannung von 3 kV, 6 kV, 10 kV, 15 kV, 20 kV, 30 kV, Hochspannung von 60 kV, 110 kV. Die zentrale Versorgungsleitung 5 wirkt dabei sehr vorteilhaft als zentrale DC-BUS-Leitung, durch die unmittelbar eine hochspannungsbasierte Gleichstromversorgung eines Elektrolysesystems 1 ermöglicht ist.
Für einen auf die Betriebsspannung abgestimmten Anschluss und Gleichstromversorgung der Elektrolyseanlagen 1A, 1B ist in die Anschlussleitung 9A ein Abwärtswandler 11A geschaltet und in die Anschlussleitung 9B entsprechend ein Abwärtswandler 11B. Dabei ist der Eingang des Abwärtswandlers 11A den Versorgungsanschluss 23A und analog der Eingang des Abwärtswandlers 11B über den Versorgungsanschluss 23B an die zentrale Versorgungsleitung 5 angeschlossen. Ausgangsseitig sind die die Abwärtswandler 11A, 11B jeweils mit dem Elektrolyseur 15A, 15B in der Anschlussleitung 9a, 9B verbunden, so dass für die Elektrolyse in den Elektrolyseuren 15A, 15B ein jeweiliger Gleichstrom auf einem einstellbaren Spannungsniveau für die Betriebsspannung bereitgestellt ist. Im Betrieb des Anlagenverbunds 100 wird auf der zentralen Versorgungsleitung 5 ein Hochspannungs-Gleichstromnetz als zentrales DC-Netz bereitgestellt und dazu verwendet, um die an die zentrale Versorgungsleitung 5 in einer Parallelschaltung angeschlossenen Elektrolyseanlagen 1A, 1B mit Elektrolysestrom zu versorgen. Durch den Einsatz einer Hochspannung kann ein Gleichstrom bereitgestellt werden höherfrequenter Wechselstrom bereitgestellt und in die zentrale Versorgungsleitung 5 eingespeist werden. Dabei ist der Anlagenverbund 100 besonders flexibel auslegbar bzw. erweiterbar, indem beispielsweise weitere Elektrolyseanlagen 1A, 1B umfassend weitere Elektrolyseure 15A, 15B über eine Anschlussleitung 9A, 9B angeschlossen werden. Vorteilhaft ist mit dem Anlagenverbund 100 ein netzunabhängiger Inselnetzbetrieb möglich.
Die in die Anschlussleitung 9A, 9B geschalteten Abwärtswandler 11A, 11B fungieren sind als DC/DC-Wandler (Tief setz steiler) realisiert und jeweils derart ausgelegt, dass deren Eingangsspannung der vorgegebenen Hochspannung im zentralen DC- Netz auf der zentralen Versorgungsleitung 5 entspricht und dessen jeweilige Ausgangsspannung auf eine jeweilige Betriebsspannung der Elektrolyseanlage 1A, 1B angepasst oder eingestellt ist. Die Abwärtswandler 11A, 11B sind dabei als regelbarer Tief setzsteiler ausgestaltet ist, so dass die Versorgung der Elektrolyseanlage 1A, 1B mit Elektrolysestrom an eine fluktuierende Einspeiseleistung der Stromversorgungsquelle 3 in die zentrale Versorgungsleitung 5 anpassbar und nachführbar ist. Dabei können die Abwärtswandler 11A, 11B beispielsweise als regelbare Tief setzsteiler mit einer Regelung der Ausgangsspannung über das Verfahren einer Pulsweitenmodulation im nichtlückenden Betrieb ausgestaltet sein, was einen kontinuierlichen betrieb bei besonders Leistungsfähigkeit ermöglicht.
In dem in FIG 1 gezeigten Anlagenverbund 100 ist es auch möglich, dass eine Elektrolyseanlage 1A, 1B beispielsweise am Fuß des Turms einer jeweiligen Windenergieanlage 19 angeordnet ist, und dort direkt an die zentrale Versorgungsleitung 5 angeschlossen ist. Dies ist etwa für on-shore Anwendungen und Aufstellungen von Windenergieanlagen 19 in abgelegenen Gebieten und für einen Inselnetzbetrieb von Vorteil. Eine Windenergieanlage 19 meint hier auch eine Windfarm oder ein Windpark - on-shore oder off-shore, mit einer Vielzahl von Windenergieanlagen 19.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel der FIG 1 ist auf Seiten der Stromversorgungsquelle 3 in dem Anlagenverbund 100 alternativ oder auch zusätzlich ein Anschluss an das öffentliche Stromnetz 25 möglich. Hierzu ist, wie in FIG 1 in gestrichelter Linie veranschaulicht, ein separater Versorgungsanschluss 23C in der zentralen Versorgungsleitung 5 vorgesehen. Der Anschluss an das öffentliche Stromnetz 25 erfolgt über einen Anschlusstransformator 27 und einen nachgeschalteten Gleichrichter 13B mit einem Gleichspannungsausgang 7. Der Gleichrichter 13B ist derart ausgelegt, dass dessen Gleichspannungsausgang 7 auf die Hochspannung der zentralen Versorgungsleitung 5 ausgelegt ist und auf einer entsprechende Spannungsebene die vorgegebene Hochspannung ausgibt, d.h. wahlweise beispielsweise Mittelspannungsebenen von 3 kV, 6 kV, 10 kV, 15 kV, 20 kV, 30 kV, oder Hochspannung von 60 kV oder 110 kV. Die Spannungsebene ist dabei flexibel anpassbar und änderbar. Überdies ist ein bidirektionaler Betrieb bei Nutzung des Versorgungsanschlusses 23C als Netzanschluss möglich, so dass eine bedarfsweise Einspeisung von Gleichstrom aus dem öffentlichen Stromnetz 25 in die zentralen Versorgungsleitung 5 als auch eine Ausspeisung von Gleichstrom aus dem DC-Netz der zentralen Versorgungsleitung 5 möglich ist.
Somit ist bedarfsweise auch Strom aus dem öffentlichen Stromnetz 25 in die zentrale Versorgungsleitung 5 spannungsangepasst am Versorgungsanschluss 23C einspeisbar und für die Nutzung für Elektrolysezwecke in dem Elektrolysesystem 1 bereitgestellt. Von Vorteil erweist sich hierbei, dass durch die Bereitstellung einer Anbindung an das öffentliche Stromnetz 29 beispielsweise Ersatzbedarf e gedeckt werden, etwa wenn die Windenergieanlage 19 wartungsbedingt nicht oder nur sehr eingeschränkt Strom produziert, oder bei Phasen einer Dunkelflaute, so dass eine Backup-Lösung vorgehalten ist, um eine möglichst kontinuierliche Versorgung und einen gleichmäßigen Betrieb der Elektrolyseanlagen 1A, 1B zur Wasserstoffproduktion zu gewährleisten. Gegebenenfalls können auch bei einer Unterversorgung mit elektrischer DC-Leistung auf der zentralen Versorgungsleitung 5 eine oder mehrere Elektrolyseanlagen 15A, 15B in Teillast betrieben werden oder vom DC- Netz genommen werden. Ein angepasster Teillastbetrieb ist bedarfsweise in der jeweiligen Anschlussleitung 9a, 9B durch die regelbaren Abwärtswandler 11A, 11B erreicht, mittels derer die Gleichstromleistung über den die Ausgangsspannung am Ausgang des Abwärtswandler 11A, 11B jeweils einstellbar ist. In einem reinen Inselnetzbetrieb des Anlagenverbunds ist mangels eines verfügbaren Anschlussmöglichkeit an ein öffentlichem Netz 29 in der Regel ein Ersatzbedarf nicht zu besorgen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Anlagenverbunds 100 ist in FIG 2 eine alternative Stromver- sorgungsquelle 3 zur Versorgung des Elektrolysesystems lanlage 1 mit Gleichstrom ge zeigt . Hierbei wei st die Stromversorgungsquelle 3 eine Fotovoltaikanlage 21 auf , mit einer Viel zahl nicht näher dargestellter PV-Module . Die Fotovoltaikanlage 21 kann beispielsweise als großf lächige und leistungsfähige Freifeldanlage - bevorzugt in sonnenreichen Regionen - ausgestaltet sein , so das s PV-Leistungen von 10 MW elektrischer Leistung und darüber hinaus für die Elektrolyse zur Verfügung stehen . Auf Seiten der Elektrolysesystems 1 ist ein im We sentlichen analoges Anlagenkonzept wie in FIG 1 angewendet und entsprechende Anlagenkomponenten , d . h . die elektrische Anbindung und Versorgung der Elektrolyseanlagen 1A, 1B erfolgt über die zentrale Versorgungsleitung 5 , die wiederum als zentrale DC-Bus -Leitung oder DC-Anschlus s strang ausgeführt ist . Um dies zu erreichen , ist die Elektrolyseanlage 1A an den Versorgungsanschlus s 23A und entsprechend die Elektrolyseanlage 1B an den Versorgungsanschlus s 23B elektrisch über eine j eweilige Anschlus sleitung 9A, 9B angeschlos sen .
Mithin weist in dem so konfigurierten Anlagenverbund 100 bei die Stromversorgungsquelle 3 als Stromerzeuger eine Fotovoltaikanlage 21 auf , einen so genannten PV-Generator . Die ser liefert bereits eine Gleichspannung am Generatorausgang , der bereits auf die vorgegebene Hochspannung ausgelegt sein kann , wobei dann der Gleichspannungsausgang 7 durch den PV- Generatorausgang gebildet ist und unmittelbar an die zentrale Versorgungsleitung 5 angeschlos sen i st .
Um bezüglich der Fotovoltaikanlage 21 als Stromversorgungsquelle 3 auf eine gewünschte und vorteilhafte Gleichspannungsebene für die Einspeisung von Gleichstrom in die zentrale Versorgungsleitung 5 zu kommen , i st aber auch möglich , wie in dem Ausführungseispiel der FIG 2 gezeigt , das s am DC- Ausgang des Generators der Fotovoltaikanlage 21 ein Aufwärts wandler 17 angeschlos sen . Der Aufwärtswandler 17, auch Hochsetzsteller oder Aufwärtsregler genannt (englisch: Boost-Converter oder Step-Up- Converter) , ist in der Leistungselektronik eine besondere Form eines Gleichspannungswandlers. Der Betrag der Ausgangsspannung ist dabei stets größer als der Betrag der Eingangsspannung, so dass mit dem Auswärtswandler 17 die für eine Einspeisung vorgegebene Hochspannung der gewünschten Gleichspannungsebene am Gleichspanungsausgang 7 bereitgestellt wird. Die höhere Spannung reduziert den Materialbedarf und damit die Kosten der Leitungen nach der Einspeisung durch die Stromversorgungsquelle 3.
Der Aufwärtswandler 17 ist auf die Spannungsebene Arbeitsfrequenz ausgelegt und liefert am Ausgang die vorgegebene Hochspannung. Dabei ist der Aufwärtswandler 17 regelbar ausgeführt, so dass eine flexible Anpassung der gelieferten Ausgangsspannung möglich ist. Die Ankopplung und Einspeisung der Leistung der Fotovoltaikanlage 21 in die zentrale Versorgungsleitung 5 erfolgt unmittelbar am Gleichspannungsausgang 7 des Aufwärtswandlers 17. Zur Übertragung und Abnahme der elektrischen Leistung durch das Elektrolysesystem 1 sind die Elektrolyseablagen 1A, 1B - wie oben näher beschrieben - über eine jeweilige Anschlussleitung 9A, 9B an die zentrale Versorgungsleitung 5 angeschlossen. Durch die jeweiligen Abwärtswandler 11A, 11B ist zudem eine Entkopplung der Regelung der Elektrolysestrombedarf e in den Anschlussleitungen 9A, 9B erreicht und somit eine individuelle Betriebsweise dieser DC- Anschlussstränge, was insbesondere bei Teillastanforderungen bedeutsam ist. Eine Einspeisung von Netzstrom aus dem öffentliche Stromnetz 23 in die zentrale Versorgungsleitung 5 ist bei der PV-Anwendung ebenso möglich und in analoger Ausgestaltung wie zu FIG 1 beschrieben ausgeführt.
Mit der Erfindung ist ein Anlagenverbund 100 angegeben, mit dem eine elektrische Leistung insbesondere aus einer erneuerbaren Stromversorgungsquelle 3 in ein Elektrolysesystem 1 mit einer Anzahl von Elektrolyseablagen 1A, 1B einspeisbar ist, so dass 100% grüner Wasserstoff in der Elektrolyseuren 15A, 15B erzeugbar ist . Dies erfolgt sehr vorteilhaft in dem beschriebenen Anlagenverbund 100 umfas send minde stes zwei Elektrolyseanlagen 1A, 1B , eine Stromversorgungsquelle 3 und die zentrale Versorgungsleitung 5 , die al s zentrale AC- Busleitung ausgebildet ist und einen Wechselstrom auf einer Arbeitsfrequenz oberhalb der Net zfrequenz des öffentlichen Netzes bereit stellt . Mithin wird ein höherfrequenten AC- Netzes in dem Anlagenverbund 100 vorgesehen und verwendet , wobei eine Anzahl von Elektrolyseanlagen 1A, 1B an eine zentrale Versorgungsleitung 5 angeschlos sen und betrieben wird, wobei in die zentrale Versorgungsleitung 5 ein höherfrequenter Wechselstrom eingespeist wird .
Für den Betrieb de s Anlagenverbunds 100 wird eine Anzahl von Elektrolyseanlagen 1A, 1B an die zentrale Versorgungsleitung 5 für Gleichstrom anges chlos sen , wobei in die zentrale Versorgungsleitung 5 über den Gleichspannungsausgang 7 ein Gleichstrom bei einer vorgegebenen Hochspannung eingespeist wird . Hierbei wird ein DC-Netz durch die zentrale Versorgungsleitung 5 gebildet und als Versorgungstopologie ein zentrales DC-Netz für die Elektrolyseanalgen 1A, 1B verwendet . Die vorgegebene Hochspannung auf der zentralen Versorgungsleitung kann bei einer Fotovoltaikanlage 21 al s Stromversorgungsquelle 3 durch einen Aufwärtswandler 17 mit einem Gleichspannungsausgang 7 mit einer Ausgangs spannung oberhalb 1 , 5 kV, insbe sondere oberhalb 10 kV, bereitgestellt werden . Dabei kann die zentrale Versorgungsleitung 5 auch mit einer Gleichspannung bei einer Hochspannung von 10 kV bis 110 kV, vorzugsweise 30 kV bis 60 kV, betrieben werden . Vorgegebene Hochspannungen können wahlweise z . B . Mittelspannungsebenen von 3 kV, 6 kV, 10 kV, 15 kV, 20 kV, 30 kV, oder Hochspannung von 60 kV oder 110 kV entsprechen oder an diese angelehnt sein . Die Spannungsebene ist dabei f lexibel anpas sbar und änderbar , insbe sondere durch die Verwendung regelbarer Gleichspannungswandler als Hochset z steller 17 und/oder Abwart swandler 11A, 11B . Gleiches gilt in dem Anlagenverbund 100 für einen optional- zusät zlichen Anschlus s an de s öffentliche Stromnetz 25 bezüglich des Gleichrichters 13B , der vorteilhafter- weise als regelbarer Gleichrichter 13B sowie für einen bidirektionalen Betrieb ausgeführt i st .

Claims

Patentansprüche
1. Anlagenverbund (100) umfassend mindestens zwei Elektrolyseanlagen (1A, 1B) , eine Stromversorgungsquelle (3) mit einem Gleichspannungsausgang (7) und eine zentrale Versorgungsleitung (5) , wobei die zentrale Versorgungsleitung (5) an den Gleichspannungsausgang (7) der Stromversorgungsquelle (3) angeschlossen ist, so dass ein Gleichstrom in die zentrale Versorgungsleitung (5) einspeisbar und ein auf eine Hochspannung ausgelegtes zentrales DC-Netz bereitgestellt ist, an das die Elektrolyseanlagen (1A, 1B) über die zentrale Versorgungsleitung (5) angeschlossen sind, wobei die Stromversorgungsquelle (3) als Stromerzeuger eine Windenergieanlage (19) aufweist, an die ein Gleichrichter (13A) mit einem Gleichspannungsausgang (7) angeschlossen ist, wobei der Gleichspannungsausgang (7) auf die Hochspannung ausgelegt ist, und wobei eine Elektrolyseanlage (1A, 1B) am Fuß des Turms der Windenergieanlage (19) angeordnet und dort direkt an die zentrale Versorgungsleitung (5) angeschlossen ist.
2. Anlagenverbund (100) nach Anspruch 1, bei dem die Elektrolyseanlagen (1A, 1B) bezüglich der zentralen Versorgungsleitung (5) parallel zueinander geschaltet sind, wobei eine Elektrolyseanlage (1A, 1B) über eine jeweilige Anschlussleitung (9A, 9B) an die zentrale Versorgungsleitung (5) angeschlossen ist.
3. Anlagenverbund (100) nach Anspruch 2, bei dem in eine Anschlussleitung (9A, 9B) ein Abwärtswandler (11A, 11B) geschaltet ist, dessen Eingangsspannung der Hochspannung im zentralen DC-Netz entspricht und dessen Ausgangsspannung auf eine jeweilige Betriebsspannung der Elektrolyseanlage (1A, 1B) ausgelegt ist.
4. Anlagenverbund (100) nach Anspruch 3, bei dem der Abwärtswandler (11A, 11B) als ein regelbarer Tiefsetzsteller ausgestaltet ist, so dass die Versorgung der Elektrolyseanlage (1A, 1B) mit Elektrolysestrom an eine fluktuierende Einspei- seleistung der Stromversorgungsquelle (3) in die zentrale Versorgungsleitung (5) anpassbar ist.
5. Anlagenverbund (100) nach Anspruch 4, bei dem der Abwärtswandler (11A, 11B) als regelbarer Tief setzsteiler mit einer Regelung der Ausgangsspannung über das Verfahren einer Pulsweitenmodulation im nichtlückenden Betrieb ausgestaltet ist.
6. Anlagenverbund (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Windenergieanlage (19) ohne ein mechanisches Getriebe ausgeführt und für den Betrieb mit variabler Rotorfrequenz ausgelegt ist, und wobei die Windenergieanlage (19) einen Generator aufweist, dessen Wechselstromausgang an den Eingang des Gleichrichters (13A) angeschlossen ist.
7. Anlagenverbund (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Stromversorgungsquelle (3) als Stromerzeuger eine Fotovoltaikanlage (21) aufweist, deren Gleichspannungsausgang (7) auf die Hochspannung ausgelegt ist, wobei der Gleichspannungsausgang (7) an die zentrale Versorgungsleitung (5) angeschlossen ist.
8. Anlagenverbund (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Stromversorgungsquelle (3) als Stromerzeuger eine Wasserkraftanlage mit einem Generator aufweist, wobei an den Generator ein Gleichrichter (13B) mit einem Gleichspannungsausgang (7) angeschlossen ist.
9. Anlagenverbund (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Stromversorgungsquelle (3) durch das öffentliche Stromnetz (25) gebildet ist, wobei ein Gleichrichter (13B) vorgesehen ist, dessen Gleichspannungsausgang (7) auf die Hochspannung der zentralen Versorgungsleitung (5) ausgelegt ist.
10. Anlagenverbund (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Stromversorgungsquelle (3) einen Aufwärtswandler (17) mit einem Gleichspannungsausgang (7) auf- weist, mittels dessen eine vorgegebene Hochspannung für die zentrale Versorgungsleitung (5) bereitstellbar ist.
11. Verwendung eines DC-Netzes in einem Anlagenverbund (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Anzahl von Elektrolyseanlagen (1A, 1B) an eine zentrale Versorgungsleitung (5) für Gleichstrom angeschlossen wird, wobei in die zentrale Versorgungsleitung (5) über einen Gleichspannungsausgang (7) ein Gleichstrom bei einer vorgegebenen Hochspannung eingespeist wird.
12. Verwendung nach Anspruch 11, bei der die vorgegebene Hochspannung auf der zentralen Versorgungsleitung (5) durch einen Aufwärtswandler (17) mit einem Gleichspannungsausgang (7) mit einer Ausgangsspannung oberhalb 1,5 kV, insbesondere oberhalb 10 kV, bereitgestellt wird.
13. Verwendung nach Anspruch 12, bei der die zentrale Versorgungsleitung mit einer Gleichspannung bei einer Hochspannung von 10 kV bis 110 kV, vorzugsweise 30 kV bis 60 kV, betrieben wird .
EP23734939.4A 2022-06-30 2023-06-20 Anlagenverbund umfassend mindestens zwei elektrolyseanlagen und eine stromversorgungsquelle Pending EP4511936A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022206735.5A DE102022206735A1 (de) 2022-06-30 2022-06-30 Anlagenverbund umfassend mindestens zwei Elektrolyseanlagen und eine Stromversorgungsquelle
PCT/EP2023/066711 WO2024002797A1 (de) 2022-06-30 2023-06-20 Anlagenverbund umfassend mindestens zwei elektrolyseanlagen und eine stromversorgungsquelle

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4511936A1 true EP4511936A1 (de) 2025-02-26

Family

ID=87002989

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP23734939.4A Pending EP4511936A1 (de) 2022-06-30 2023-06-20 Anlagenverbund umfassend mindestens zwei elektrolyseanlagen und eine stromversorgungsquelle

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20250373010A1 (de)
EP (1) EP4511936A1 (de)
CN (1) CN119452539A (de)
DE (1) DE102022206735A1 (de)
WO (1) WO2024002797A1 (de)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102023202318A1 (de) 2023-03-15 2024-09-19 Siemens Energy Global GmbH & Co. KG Schaltungsanordnung, Verfahren zum Betrieb einer Schaltungsanordnung und Elektrolysesystem
EP4611206A1 (de) * 2024-03-01 2025-09-03 Siemens Energy Global GmbH & Co. KG Gleichstromübertragungs- und verteilnetz sowie galvanisch isolierte elektrolyseanlage

Family Cites Families (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
NL8902534A (nl) * 1989-10-12 1991-05-01 Holec Projects Bv Windturbine.
ATE441030T1 (de) * 2002-03-08 2009-09-15 Ocean Wind Energy Systems Offshore-windenergieanlage
US7245039B2 (en) * 2004-12-10 2007-07-17 Duhamel Robert A Apparatus and method for generating hydrogen gas through the use of wind power
US20080121525A1 (en) * 2005-10-11 2008-05-29 Doland George J Renewable Power Controller for Hydrogen Production
JP4872393B2 (ja) * 2006-03-14 2012-02-08 株式会社日立製作所 風力発電水素製造装置
US7352076B1 (en) * 2006-08-11 2008-04-01 Mariah Power Inc. Small wind turbine system
US20080261098A1 (en) * 2007-04-20 2008-10-23 General Electric Company Proton-conducting membranes for electrochemical devices, and related articles and processes
EP2350352B1 (de) 2008-10-30 2019-03-20 Next Hydrogen Corporation Stromabgabesystem zur elektrolytischen herstellung von wasserstoff aus windkraft
US20100295305A1 (en) * 2009-05-20 2010-11-25 E-Net, Llc Wind turbine and control system
CN102959131B (zh) * 2010-04-28 2015-08-26 英格蒂姆能源科技公司 用于控制基于可再生能源的发电站的功率输出的制氢系统及其控制方法
US20150123402A1 (en) * 2013-11-04 2015-05-07 General Electric Company Magnetic structure combining normal mode and common mode inductance
EP2919354A1 (de) * 2014-03-14 2015-09-16 Siemens Aktiengesellschaft Stromversorgungsanordnung eines Windparks
FR3027034B1 (fr) * 2014-10-13 2016-12-23 Commissariat Energie Atomique Procede de pilotage d'un systeme d'electrolyse prenant en compte la temperature des modules electrolyseurs dudit systeme d'electrolyse
EP3556905A1 (de) * 2018-04-19 2019-10-23 Siemens Aktiengesellschaft Schaltungsanordnung, verfahren zum betrieb einer schaltungsanordnung und elektrolyseeinrichtung
EP3723254A1 (de) 2019-04-10 2020-10-14 Siemens Aktiengesellschaft Schaltungsanordnung, elektrolyseeinrichtung und verfahren zum betrieb einer schaltungsanordnung oder einer elektrolyseeinrichtung
CN112803472A (zh) * 2019-10-28 2021-05-14 阳光电源股份有限公司 一种直流耦合制氢系统及其控制方法
DE102020112880A1 (de) 2020-05-12 2021-11-18 Sma Solar Technology Ag Verfahren zum betrieb eines elektrolyseurs, verbindungsschaltung, gleichrichter und elektrolyseanlage zur durchführung des verfahrens
CN212726480U (zh) 2020-08-07 2021-03-16 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 一种可并离网型风光水储氢燃料电池直流互联微网系统
US11670960B2 (en) * 2020-09-01 2023-06-06 Mitsubishi Power Americas, Inc. Integrated power production and storage systems
WO2023093957A1 (en) * 2021-11-23 2023-06-01 Vestas Wind Systems A/S A wind turbine with an up-tower electrolysis system
CN114481179B (zh) 2021-12-25 2024-09-20 智寰(北京)氢能科技有限公司 中压直流汇集型可再生能源发电制氢系统及其工作方法
EP4212721A1 (de) * 2022-01-18 2023-07-19 Siemens Gamesa Renewable Energy A/S Windturbine mit wasserstofferzeugungsanlage
EP4273298A1 (de) * 2022-05-04 2023-11-08 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Verfahren zur inbetriebnahme eines elektrolysesystems

Also Published As

Publication number Publication date
DE102022206735A1 (de) 2024-01-04
WO2024002797A1 (de) 2024-01-04
US20250373010A1 (en) 2025-12-04
CN119452539A (zh) 2025-02-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3968483B1 (de) Verfahren zum betreiben eines kombikraftwerks bzw. kombikraftwerk
EP2941808B1 (de) Windparkanbindung mit diodengleichrichter
DE102022208258A1 (de) Elektrolysesystem
DE212018000414U1 (de) Wasserstofferzeugungssystem
DE10210099A1 (de) Inselnetz und Verfahren zum Betrieb eines Inselnetzes
DE102021125875B4 (de) Verfahren zum Betrieb eines Elektrolyseurs und einer Brennstoffzelle über einen gemeinsamen Wandler, Vorrichtung und Elektrolyseanlage
WO2013087553A1 (de) Verfahren zum betrieb einer windenergieanlage bzw. eines windparks
DE102022204924A1 (de) Elektrolyseanlage, Verfahren zum Betrieb einer Elektrolyseanlage und Anlagenverbund umfassend eine Elektrolyseanlage und eine Windenergieanlage
EP4511936A1 (de) Anlagenverbund umfassend mindestens zwei elektrolyseanlagen und eine stromversorgungsquelle
EP3688860B1 (de) Verfahren zum versorgen von windenergieanlagenkomponenten mit energie sowie energieversorgungseinrichtung und windenergieanlage damit
EP2445077A1 (de) Photovoltaikanlage mit Blindleistungseinspeisung in Abhängigkeit der Netzspannung
EP3061172B1 (de) Anlage zum übertragen elektrischer leistung
EP3780305A1 (de) Wechselrichteranordnung für windenergieanlagen und photovoltaikanlagen
WO2021190732A1 (de) Versorgungseinrichtung für eine hochstromlast und anordnung mit der versorgungseinrichtung
WO2023213446A1 (de) Elektrolyseanlage und anlagenverbund umfassend eine elektrolyseanlage und eine erneuerbare-energien-anlage
WO2023111288A1 (de) Vorrichtung und verfahren zum umwandeln elektrischer leistung
EP2911260A1 (de) Einrichtung zur Einspeisung windkrafterzeugter elektrischer Energie in ein elektrisches Netz
EP4497187A1 (de) Anlagenverbund umfassend mindestens zwei elektrolyseanlagen und eine stromversorgungsquelle
DE102013112431A1 (de) Anordnung aus einem Kraftwerk und einer Vorrichtung zur Erzeugung von Gas mittels von dem Kraftwerk erzeugter elektrischer Energie
EP2911286A1 (de) Einrichtung zur Einspeisung windkrafterzeugter elektrischer Energie in ein elektrisches Netz
WO2023213447A1 (de) Elektrolyseanlage und anlagenverbund umfassend eine elektrolyseanlage und eine erneuerbare-energien-anlage
WO2013164018A1 (de) Stromversorgungssystem
EP4559065A1 (de) Verfahren und anlage zur herstellung von wasserstoff
WO2024017633A1 (de) Elektrolysesystem
EVS–wINDENERGIE RAVE–RESEARCH AT ALpHA VENTuS–NETzINTEGRATIoN

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20241120

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC ME MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)