EP4519950A1 - Elektrolyseanlage und anlagenverbund umfassend eine elektrolyseanlage und eine erneuerbare-energien-anlage - Google Patents

Elektrolyseanlage und anlagenverbund umfassend eine elektrolyseanlage und eine erneuerbare-energien-anlage

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Publication number
EP4519950A1
EP4519950A1 EP23701466.7A EP23701466A EP4519950A1 EP 4519950 A1 EP4519950 A1 EP 4519950A1 EP 23701466 A EP23701466 A EP 23701466A EP 4519950 A1 EP4519950 A1 EP 4519950A1
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EP
European Patent Office
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electrolysis
filter device
electrolysis system
rectifier
output
Prior art date
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Pending
Application number
EP23701466.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Sven Schumann
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
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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 EP4519950A1 publication Critical patent/EP4519950A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • 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
    • H02J3/00—Circuit arrangements for AC mains or AC distribution networks
    • H02J3/38—Arrangements for feeding a single network from two or more generators or sources in parallel; Arrangements for feeding already energised networks from additional generators or sources in parallel
    • H02J3/381—Dispersed generators
    • 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
    • H02J15/00—Systems for storing electric energy specially adapted for power networks
    • H02J15/50—Systems for storing electric energy specially adapted for power networks using stored hydrogen
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • 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
    • 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
    • H02J1/02—Arrangements for reducing harmonics or ripples
    • 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

Definitions

  • Electrolysis system and system network comprising an electrolysis system and a renewable energy system
  • the invention relates to an electrolysis system comprising an electrolyzer and a circuit arrangement.
  • the invention further relates to a system network comprising an electrolysis system and a renewable energy system connected to the electrolysis system.
  • 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.
  • An EE 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 C02 emissions. For this to be successful, the hydrogen must not come from fossil sources, but must be produced with the help of renewable energies. 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 generated 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.
  • mains-commutated rectifiers During this rectification of a network-side alternating voltage, harmonics 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.
  • Hydrogen is very suitable as a transport medium and energy source. This can be transported in gaseous form through pipelines, for example.
  • a positive side aspect here is that a hydrogen-carrying pipeline can simultaneously fulfill the function of an energy storage device, since the internal pressure can be varied within certain limits.
  • electrolysis system is part of an island network.
  • the electrolysis electricity is not drawn 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 invention is therefore based on the object of specifying an electrolysis system by means of which electricity from a renewable source can be fed directly and without disruption into the electrolysis system.
  • an electrolysis system comprising an electrolyzer and a circuit arrangement which has an input for connection to a power source and an output which is connected to the electrolyser, the circuit arrangement having an electrical filter device which is designed in such a way that high-frequency Signal components can be attenuated.
  • the invention is based on the knowledge that electrolysis systems, in particular the PEM water electrolysis cells of the electrolyzer, are very sensitive to high-frequency electrical stray currents. These stray currents can couple into the electrolysis system via earth connections or earth faults. Through necessary system components such as process technology, gas separators, auxiliary systems, water-carrying supply lines, etc. In an electrolysis system, the connection to the earth is inadequate on the electrolysis side (earth fault or ground loop). On the one hand, it is therefore important to avoid that current paths can close via the earth, i.e. a ground fault or ground loop is formed. On the other hand, the coupling of electromagnetic interference fields should be avoided as far as possible or at least the interference should be reduced.
  • the IGBT is a semiconductor component that is 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 through almost power-free control.
  • the bipolar transistor such as good forward behavior, high blocking voltage, robustness and the advantages of a field effect transistor through almost power-free control.
  • very precise control of the electrolysis current with good rectification is achieved.
  • the striking advantages of IGBTs are the high voltage and current limits: voltages of up to 6500 V and currents of up to 3600 A with an output of up to a few megawatts, which makes IGBTs ideal for use in electrolysis systems.
  • a filter device is provided on the DC side in an electrolysis system with the circuit arrangement, so that effective filtering of interference signals due to high-frequency electrical stray currents between the external power supply source and the DC-operated electrolyzer is achieved.
  • the filter-based circuit arrangement is an integral part of the electrolysis system itself.
  • the original power source can be or Power supply source can be both a direct current source and an alternating current source and this is advantageously provided directly from renewable energies.
  • the filter device ensures that the electrolyzer is supplied with a stable direct current in a particularly trouble-free manner in both environments and applications.
  • the filter device provides a particularly simple solution that can be flexibly adapted. It is advantageous to also include systems and components for the electrolysis system's own supply, i.e. the auxiliary systems, the control system, etc. It should also be connected behind the filter on the system side and used for the operation of these systems and components, since high-quality direct current is already provided there.
  • high-frequency signal components from an external power source can be attenuated, to which the electrolysis system can be connected to supply it with an electrolysis current. But also filtering of high-frequency signal components from other disruptive power sources in the electrolysis system itself or in its surroundings, which can lead to disruptive coupling.
  • the filter device functions advantageously in a similar way to a network filter and can be designed specifically for use in an electrolysis system.
  • the filter device can be designed, for example, as an electrical circuit that limits both electrical interference from electrical devices and components of the electrolysis system with the electrolyzer into the power source (radio interference suppression), as well as the electromagnetic compatibility and protection of the electrolysis system against interference from the supplying power source significantly improved.
  • the latter leads to an increase in the interference immunity of the electrolysis system.
  • This is of particular interest and advantage in applications in which the electricity from a renewable source is to be fed directly and smoothly into the electrolysis system as direct current. d. H . with a direct feed or DC feed from a renewable energy system.
  • the filter device can optionally be designed as a low-pass filter and include inductors and capacitors.
  • the area of application in an electrolysis system for a direct connection and supply of an electrolyzer with electrolysis power is preferably the medium-voltage and low-voltage range, depending on the power source.
  • the filter device is advantageously integrated directly into the electrolysis system, which is particularly sensitive to disruptive stray currents, or if necessary. in current-carrying system parts that cause faults. It is possible and advantageous for the circuit arrangement with the filter device to be designed as a separate module that can be connected and integrated into the electrolysis system. This ensures a filtered and interference-free direct voltage, namely at a desired and predetermined voltage or voltage level for electrolysis. Current level.
  • the circuit arrangement is therefore particularly advantageously designed as a filter device and designed for the provision of direct current through an external power source, in particular an external direct current source, for supplying the electrolyzer with electrolysis current. This is done through direct coupling or direct connection of the input to an external power source, in particular directly to an external direct current source.
  • a wind turbine or a photovoltaic system can advantageously be connected to the electrolysis system as an external direct current source, each of which can be advantageously designed to be independent of the grid in a so-called island operation for both offshore and onshore applications.
  • the filter device has a low pass.
  • a low-pass or low-pass filter is a particularly easy way to integrate into the circuit arrangement to suppress or suppress the high-frequency interference frequencies from the power source. filter out and only switch on the desired direct current for electrolysis.
  • the low-pass filter can be designed as a passive analog low-pass filter, which has, for example, a resistor, a coil and a capacitor or several of these electrical components. With additional active components, such as operational amplifiers or transistors, it is also possible for an active analog low pass to be provided in the filter device. If digital signal processing is required, time-discrete low-pass filters are implemented in filter structures such as the FIR or I IR filter. This is done using digital circuits such as FPGAs or using sequential computer programs.
  • Low-pass filters for high performance for high frequency and electrical energy technology - as preferred here for the electrolysis system - are made from capacitors and coils built up . They are generally found on the load outputs of frequency converters, Class D amplifiers, switching power supplies and in network filters.
  • the filter device is designed as a low pass 1. Order executed, which has an RC element.
  • the low pass advantageously consists of a resistor-capacitor combination, a so-called RC element, and provides a Butterworth filter with 1. order.
  • RC element a resistor-capacitor combination
  • the source impedance of the input voltage of the filter is zero and the load impedance at the output voltage of the filter is infinitely high.
  • a simple coil or coil arrangement for attenuating, in particular, the high-frequency signal components is alternatively or additionally conceivable.
  • This is, for example, connected directly between a rectifier and the electrolyzer and carries the full load current during operation, i.e. H .
  • This is not connected to earth, but to the rectifier and the electrolyzer.
  • the filter device preferably has an inductance that dampens the high frequency components.
  • the filter device is a low-pass filter 2. Order or higher order, which has at least one LRC low pass. This means that the power supply can be connected for a direct DC connection. If a power source is connected to the electrolysis system, particularly effective filtering and interference suppression can be achieved.
  • a second-order low pass is advantageously obtained for the circuit arrangement by connecting an inductance L in series with a resistor R, since its reactance X L also has a frequency dependence - in the opposite direction to the capacitor reactance X c .
  • R is chosen so large that there is no or only a slight voltage increase in the frequency response.
  • two low-pass filters connected in series form 2.
  • Order a low pass 4.
  • two interconnected low passes with the same cutoff frequency do not result in a higher order low pass of the same cutoff frequency.
  • There are relevant formulas and tables available for dimensioning a low-pass filter with the desired cutoff frequency which can be used depending on the connection situation of the electrolysis system to the external power source.
  • n storage elements i.e. capacitors or coils
  • the attenuation of an nth order low pass increases above the cutoff frequency by n - 20 dB/decade.
  • filters are set to different frequencies or frequency bands, each of which is intended to suppress interference
  • the filter device is designed as an active filter, the filter device having an operational amplifier.
  • Active low-pass filters can advantageously be implemented in the filter device using operational amplifiers. These have the advantage that the frequency response is maintained even with a load connected to the output. They can also be dimensioned so that they only put a minimal load on the power source, so that it can have an impedance greater than zero.
  • a direct current freed from high-frequency signal components also includes and includes a direct current largely or largely freed from high-frequency signal components.
  • the electrolysis system is therefore particularly advantageously equipped and set up for direct connection to an alternating current source, such as for connection to a wind turbine whose generator supplies alternating current.
  • DC voltage side i.e. H . at the output of the inverter
  • AC side i.e. H . at the input of the inverter
  • the inverter can be connected to an external AC power source.
  • the circuit arrangement then has the inverter and the filter device for an AC connection of the electrolysis system and these components both work together advantageously.
  • the electrolysis system is prepared for a direct connection on the AC side to an alternating current source, such as a wind turbine in island operation.
  • the electrolysis system is placed in close proximity to the wind turbine or is integrated into the wind farm with a large number of wind turbines.
  • the rectifier is preferably controllable and/or designed as a three-phase rectifier, in particular the rectifier is designed as a B6 bridge rectifier.
  • a controllability of the rectifier or rectifiers which are advantageously designed as a three-phase rectifier or as a B6 bridge rectifier, makes it possible to adjust the total current generated via the rectifier or rectifiers and thus, for example, to precisely control the operation of an electrolyzer connected to the circuit arrangement.
  • a filter device is connected in series between the rectifier and the electrolyzer.
  • the series connection with regard to rectification and electrolyzer represents a possible and advantageous arrangement of the filter device.
  • the electrolyzer is thus protected from disruptive coupling of high-frequency stray currents, for example via earth loops. In this arrangement, the load current is borne entirely by the filter device.
  • a filter device is connected to the rectifier, the filter device being connected to a reference potential, in particular to earth potential or ground.
  • the load current does not have to depend on the Filter device must be worn.
  • the filter device has its input side directly connected to the direct current side, i.e. H . the output of the rectifier, and a second connection to ground potential.
  • the output of the rectifier is also connected to the electrolyzer, so that the output of the rectifier, the input of the filter device and the direct current supply line to the electrolyzer are at the same potential.
  • a further aspect of the invention results from the design of the electrolysis system for a preferred electrical connection of the electrolysis system to an external power source, in particular to an external direct current source, with a renewable energy system being directly electrically connected to the electrolysis system. This creates an integral system network.
  • the system network comprises an electrolysis system and a renewable energy system, a power source with an output being formed by the renewable energy system, and the electrolysis system being connected to the output of the renewable energy system.
  • the renewable energy system in the system network has a wind turbine.
  • the renewable energy system in the system network is a wind turbine or a wind farm with a large number of wind turbines.
  • An electrolysis system can also be supplied with alternating current from several wind turbines connected on the alternating current side.
  • the wind-based generation of 100% renewable green electricity is particularly attractive in combination with electrolysis.
  • the rectifier in the electrolysis system which is connected on the output side to the input of the circuit arrangement or with whose input is electrically connected, filtering and interference suppression is achieved.
  • the rectifier converts the alternating current from the wind turbine into a direct current and at the same time advantageously provides the desired direct voltage level at the input for the operation of the electrolyzer.
  • a direct connection to the wind turbine and an integrated system network are achieved.
  • This also advantageously opens up the possibility of being able to filter several electrolyzers in an electrolysis system that are electrically connected in parallel.
  • the electrolysis system can be filtered centrally behind the rectifier, or with several smaller, appropriately designed filter devices directly on the several electrolysers connected in parallel, which can then be switched on and off to vary a partial load.
  • this electrolyzer is particularly susceptible to high-frequency stray currents caused by the parallel operation switched electrolysers or Subsystems of the electrolysis plant.
  • an electrolysis system is connected to a renewable energy system, the renewable energy system having a photovoltaic system, so that a direct current source with an output is formed, and the electrolysis system the output of the photovoltaic system is connected.
  • the renewable energy system in the system network is preferably also possible and preferred for the renewable energy system in the system network to be a photovoltaic system.
  • a PV system already provides direct current that can easily be used for electrolysis.
  • a wind turbine generally first generates and provides alternating current.
  • a rectifier is therefore required for electrolysis purposes in the system network with a wind turbine.
  • This rectifier is preferably already a component of the electrolysis system set up for operation on a wind turbine.
  • a rectifier can also be provided in the wind turbine itself in order to provide direct current at the connection or transfer point to the electrolysis system.
  • a battery or another energy storage device in a system network parallel to a wind turbine and/or a photovoltaic system and to integrate it into the system network.
  • the battery or energy storage device is then preferably also equipped with a DC/DC Converter connected analogous to an electrical integration of a photovoltaic system.
  • a direct connection of a battery or an energy storage device can therefore be provided, in which case the supply and charging of the battery or the energy storage device is then preferably provided by a power source.
  • the battery or energy storage is useful and very advantageous, also for load control and uniform power supply to the electrolysis system with electricity from the battery and, above all, as a buffer when there is little wind and/or little sun Weather conditions.
  • the photovoltaic system has a DC controller or DC-DC converter, which forms the output.
  • a direct current source for the photovoltaic system is formed at a predeterminable direct voltage level by the output of the direct current controller.
  • the electrolysis system is directly and immediately connected to the output of the photovoltaic system. It is also conceivable and possible that the DC controller is a component of the power electronics of the electrolysis system and is adapted accordingly to the PV voltage level.
  • a DC-DC converter also called a DC-DC converter, refers to an electrical circuit that converts a DC voltage supplied at the input into a DC voltage with a higher, lower or inverted voltage level.
  • the implementation takes place with the help of a periodically operating electronic switch and one or more energy storage devices.
  • DC-DC converters are self-commutated power converters. In the field of electrical energy technology they are also referred to as direct current controllers.
  • the one used to temporarily store the energy Inductance (inductive transducer) consists of a coil or a transducer transformer.
  • FIG. 1 shows a system network with an electrolysis system and a wind turbine in direct DC coupling
  • FIG. 2 shows a system network according to FIG. 1 with an alternative filter circuit
  • FIG. 3 shows a system network with an electrolysis system and a photovoltaic system in direct DC coupling
  • FIG. 4 shows a system network according to FIG. 3 with an alternative filter circuit
  • a system network 100 according to the invention is shown in FIG.
  • the system network 100 includes an electrolysis system 1 and a wind turbine 50A connected to the electrolysis system 1 as a renewable energy system (RE system) and a source for green electricity.
  • the electrolysis system 1 has an electrolyzer 3 and a circuit arrangement 5 which is electrically connected to the electrolyzer 3.
  • the circuit arrangement 5 is connected to the electrolyzer 3 via the output 9.
  • the circuit arrangement has an input 7 via which a direct current can be supplied to the electrolysis system.
  • the input 7 is designed for connection to an external power source, in particular an external direct current source.
  • the supply of direct current, so-called electrolysis direct current, from a direct current source takes place via the circuit arrangement 5.
  • the circuit arrangement 5 has an electrical filter device 11 for the interference-free and noise-suppressed supply of a high-quality direct current.
  • the filter device 11 is designed in such a way that high-frequency signal components from the power source can be very effectively attenuated and suppressed.
  • the filter device 11 is designed as a low-pass filter that has an RC element, i.e. as a passive component. Further options for designing the filter device 11 are as a low pass 2. Order or a higher order, which has an LRC low pass, i.e. an inductance, an ohmic resistance and a capacitance. It can also be advantageous to equip the circuit arrangement 5 with a filter device 11 designed as an active filter.
  • the filter device 11 then has, for example, an operational amplifier as an active component.
  • the filter device 11 greatly reduces problems with ground faults and corresponding disadvantageous coupling of high-frequency interference signals into the electrolysis system 1. This protects the particularly sensitive components of the electrolyzer 3, in particular the large number of electrolysis cells, and guarantees a target voltage of high constancy and quality.
  • the electrolysis system 1 also has a rectifier 15, which is connected on the output side to the input 7 of the circuit arrangement 5. On the input side, the rectifier 15 is connected to an alternating current source, in the exemplary embodiment to a wind turbine 50A that supplies alternating current.
  • the direct AC connection (AG connection) is made via output 52 of the 50A wind turbine. Due to the electrical filter device 11 in the circuit arrangement 5, a direct current that is largely free of high-frequency signal components can be fed to the electrolyzer 3 via the filter device 11 in the direct connection.
  • the circuit arrangement 5 is supplied with direct current via the rectifier 15, which in turn enables very effective filtering for the direct DC connection by means of the filter device.
  • the electrolyzer 3 is thus supplied with a direct current, the electrolysis current.
  • the electrolyzer 3 can be designed as a PEM electrolyzer or as an alkaline electrolyzer.
  • the electrolysis system 1 is connected directly to the wind turbine 50A.
  • the connection is made via the output 52 of the wind turbine 50A first to the rectifier 15 and, in FIG. 1, in a series connection to the circuit arrangement 5 with the filter device 11, which in turn supplies the electrolyzer 3 with direct electrolysis current via the output 9.
  • the wind turbine 50A initially generates an alternating current in the generator.
  • a rectifier 15 is provided in the electrolysis system 1, so that the direct connection to the output 52 on the AC side takes place via this rectifier 15, the rectifier here advantageously being an electrical power component of the electrolysis system 1.
  • the rectifier 15 can be regulated according to the current intensity for the electrolysis and is designed as a three-phase rectifier as a B6 bridge rectifier.
  • This has an IGBT (not shown) as a semiconductor component, an insulated gate bipolar transistor.
  • This 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: voltages of up to 6500 V and currents of up to 3600 A with an output of up to a few megawatts make IGBTs ideal for use in electrolysis systems. This makes the IGBT in the rectifier 15 ideal for use in the working area of the electrolyzer 3.
  • IGCT in the rectifier 15, i.e. H . an integrated gate-commutated thyristor.
  • H rectifier
  • IGCTs are used in high-performance power converters.
  • a single module typically switches a few kiloamperes at a typical blocking voltage of 4500 V.
  • the circuit arrangement 5 enables very effective interference suppression via the filter device 11. This greatly reduces high-frequency electrical stray currents during operation, which can couple in via ground loops and affect the electrolyzer 3 with the very sensitive electrolysis cells, since the ohmic losses through ground loops can lead to a very disadvantageous voltage drop across the electrolysis cells.
  • the filter device 11 can also simply contain a transformer, i.e. H . an iron core with coils, which represents a further measure of interference suppression and filtering in order to generally reduce stray currents to earth in particular.
  • the filter device 11 of the electrolysis system for example, several passive filters for different frequencies or mixed passive and active filter arrangements can be provided for the filter device 11. This can also be done, among other things, by using a coil/line with high inductance in series, an RC element (low-pass filter), an LRC low-pass filter 2. Order, the use of a higher order low pass or active filtering.
  • the circuit arrangement 5 provides an interference-free or hum-free electrolysis DC voltage on the output side at the output 9, with which the electrolyzer 3 is operated stably, with water being broken down into hydrogen and oxygen. Ground loops are avoided.
  • the advantageous direct DC connection of the electrolysis system 1 to the wind turbine 52A makes grid-independent island operation possible and decentralized generation of green electricity onshore or offshore depending on the application.
  • the proportion of green hydrogen is 100%.
  • FIG. 1 In a further exemplary embodiment of a system group 100 according to the invention with a wind turbine 50A, an alternative filter circuit is shown in FIG.
  • no serial connection of the circuit arrangement 5 with the filter device 11 is provided, but the integration of the filter function takes place in that the circuit arrangement 5 connects directly to the rectifier 15 on the output side and is connected to a reference potential 17, in particular earth potential, zero potential or ground.
  • the electrolyzer 3 is then supplied with filtered and suppressed high-quality DC voltage via the output 9.
  • the functionality of the filtered direct connection of the electrolysis system 1 to the wind turbine 50A provided via the circuit arrangement 5 is analogous to the system network 100 described in FIG. 1.
  • FIG. 3 shows a system network 100 with an electrolysis system 1 and a photovoltaic system 50B in direct DC coupling, a system concept with a very advantageous direct current source for supplying the electrolysis system 1 with direct current.
  • the renewable energy system 50 has a photovoltaic system 50B, with a large number of PV modules, not shown in detail.
  • the photovoltaic system 50B can, for example, be designed as a large-area and powerful open-field system - preferably in sunny regions - so that peak PV power of at least 5 MW of electrical power is available for electrolysis.
  • an analogous system concept as in FIG. 1 is used and corresponding system components, i.e. H .
  • circuit arrangement 5 being arranged in series between the photovoltaic system 50B and the electrolyzer 3.
  • filter device 11 is correspondingly integrated in a series circuit and connected upstream of the electrolyzer 3.
  • a direct current controller 19 is connected to the photovoltaic system 50B.
  • a DC converter 19 is also referred to as a DC-DC converter, so that the DC voltage supplied to its input from the photovoltaic system 50B is converted into a DC voltage with a higher, lower or inverted voltage level.
  • the implementation takes place with the help of a periodically operating electronic switch and one or more energy storage devices.
  • DC controllers 19, also known as DC-DC converters are among the self-commutated power converters that play a major role in the field of electrical energy technology.
  • the inductance (inductive converter) used to temporarily store the energy consists of a coil or a converter transformer.
  • the direct current controller 19 connected to the photovoltaic system 50B is connected on the output side at the output 52 to the input 7 of the circuit arrangement 5, so that a direct connection to the electrolysis system 1 and supply with PV direct current is achieved, through the filter device 11, in particular the low-pass filter , the stray currents are effectively suppressed.
  • a direct current source of the photovoltaic system 52B is formed at a predeterminable direct voltage level by the output 52 of the direct current controller.
  • the electrolysis system 1 is directly and immediately connected to the output 52 of the photovoltaic system. It is also conceivable and possible that the DC controller 19 is a component of the power electronics of the electrolysis system 1 itself and is adapted and preconfigured accordingly to the PV voltage level.
  • FIG. 1 In a further exemplary embodiment of a system network 100 according to the invention with a photovoltaic system 52B, an alternative filter circuit is shown in FIG.
  • no serial connection of the circuit arrangement 5 with the filter device 11 is provided, but the integration and assurance of the filter function takes place in that the circuit arrangement 5 connects directly to the DC controller 19 on the output side and is connected to a reference potential 17, in particular earth potential, zero potential or ground.
  • the electrolyzer 3 is then supplied with filtered and suppressed high-quality DC voltage via the output 9.
  • the functionality of the direct connection of the electrolysis system 1 to the photovoltaic system 50B, provided via the circuit arrangement 5 and trouble-free via the filter device 11, is analogous to the system network 100 described in FIG. 3.
  • the invention provides an electrolysis system 1, by means of which a direct current or an alternating current from a renewable source can be fed directly and trouble-free into the electrolysis system 1, so that 100% green hydrogen can be produced in the electrolysis.
  • This takes place particularly advantageously in the system network 100 described, comprising an electrolysis system 1 and a renewable energy system 50, which are directly electrically connected to one another and are set up in close proximity and are advantageously integrated into a system network 100.
  • the circuit arrangement 5 with the filter device 11 enables a particularly simple and effective DC direct connection. This appears to be a cost advantage compared to alternative approaches to solutions with transformers that allow the principle of galvanic isolation or decoupling to be used. Also in the event that a complex and complex transformer system is not available due to local technical conditions and restrictions is not applicable, filtering with the electrical filter device 11 on the DC side according to the invention is preferred, with high-frequency signal components being attenuated. This can also be done, among other things, by using a coil/line with high inductance in series, an RC element (low-pass filter), an LRC low-pass filter 2. Order, the use of a higher order low pass or active filtering.
  • the filtering in the circuit arrangement 5 having the filter device 11 takes place either directly on the rectifier 15 or between the rectifier 15 and the electrolyzer 3. Filtering on an earth line, for example in a star point earthing in the generator system or on or in the rectifier 15, is also possible. Filtering at a defined earth connection in the electrolysis system, e.g. B. in the middle of a row of modules, where the potential is already close to the reference potential 17 or Earth potential is .
  • the use of the electrolysis system 1 of the invention for both PEM hydrogen electrolysis systems and for alkaline electrolysis systems in a system network 100 with a renewable energy system 50 is particularly advantageous.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrolyseanlage (1) umfassend einen Elektrolyseur (3) und eine Schaltungsanordnung (5), die einen Eingang (7) zum Anschluss an eine Stromquelle sowie einen Ausgang (9) aufweist, der an den Elektrolyseur (3) angeschlossen ist, wobei die Schaltungsanordnung (5) eine elektrische Filtereinrichtung (11) aufweist, die derart ausgestaltet ist, dass hochfrequente Signalanteile, insbesondere aus der externen Stromquelle, sehr effektiv dämpfbar sind. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Anlagenverbund (100) mit einer Elektrolyseanlage (1) und mit einer Erneuerbare- Energien-Anlage (50). Dabei ist durch die Erneuerbare- Energien-Anlage (50) eine Stromquelle mit einem Ausgang (52) gebildet und die Elektrolyseanlage (1) ist an den Ausgang (52) der Erneuerbare-Energien-Anlage (50) direkt angeschlossen.

Description

Beschreibung
Elektrolyseanlage und Anlagenverbund umfassend eine Elektrolyseanlage und eine Erneuerbare-Energien-Anlage
Die Erfindung betri f ft eine Elektrolyseanlage umfassend einen Elektrolyseur und eine Schaltungsanordnung . Die Erfindung betri f ft weiterhin einen Anlagenverbund umfassend eine Elektrolyseanlage und eine an die Elektrolyseanlage angeschlossene Erneuerbare-Energien-Anlage .
Eine Elektrolyseanlage ist eine Vorrichtung, die mit Hil fe von elektrischem Strom eine Stof fumwandlung herbei führt (Elektrolyse ) . Entsprechend der Viel falt an unterschiedlichen elektrochemischen Elektrolyseprozessen gibt es auch eine Viel zahl von Elektrolyseanlagen, wie beispielsweise eine Elektrolyseanlage für eine Wasserelektrolyse .
Wasserstof f wird heutzutage beispielsweise mittels einer Proton Exchange Membrane ( PEM) -Elektrolyse oder einer alkalischen Elektrolyse aus Wasser erzeugt . Die Elektrolyseanlagen produzieren mit Hil fe elektrischer Energie Wasserstof f und Sauerstof f 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 ( 02 bzw . H2 ) austreten .
Aktuelle Überlegungen gehen dahin, mit überschüssiger Energie aus erneuerbaren Energiequellen in Zeiten mit viel Sonne und viel Wind, also mit überdurchschnittlicher Solarstrom- oder Windkrafterzeugung, Wertstof fe zu erzeugen . Ein Wertstof f kann insbesondere Wasserstof f sein, welcher durch Wasser- Elektrolyseanlagen erzeugt wird . Auf Basis von Wasserstof f kann beispielsweise sogenanntes Erneuerbare-Energien-Gas - auch als EE-Gas bezeichnet , hergestellt werden . Ein EE-Gas ist ein brennbares Gas , welches mit Hil fe elektrischer Energie aus erneuerbaren Quellen gewonnen wird .
Wasserstof f stellt dabei einen besonders umweltfreundlichen und nachhaltigen Energieträger dar . Er hat das einzigartige Potential Energiesysteme , Verkehr und große Teile der Chemie ohne C02-Emissionen zu realisieren . Damit dies gelingt , darf der Wasserstof f allerdings nicht aus fossilen Quellen stammen, sondern muss mit Hil fe von erneuerbaren Energien produziert werden . Inzwischen wird zumindest ein wachsender Anteil des aus erneuerbaren Quellen erzeugten Stroms in das öf fentliche Stromnetz eingespeist . Somit kann entsprechend dem Strommix ein entsprechender Anteil grüner Wasserstof f erzeugt werden, wenn eine Elektrolyseanlage mit Strom aus dem öf fentlichen 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 Oberschwingungen entstehen, welche das Wechselstromnetz und/oder das Gleichstromnetz belasten können .
In der EP 3 723 254 Al ist eine derartige Elektrolyseanlage of fenbart , die an das öf fentliche 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 j eweils mit der Gleichspannungsseite eines der Gleichrichter verbunden . Die Schaltungsanordnung umfasst weiterhin zwei Trans formatoren, welche j eweils eine Primärwicklung sowie zwei Sekundärwicklungen aufweisen . Die Primärwicklungen der Trans formatoren 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 im Trans formator 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 . Heraus fordernd 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 Wasserstof f . Dieser kann zum Beispiel durch Pipelines in gas förmiger Form transportiert werden . Ein positiver Nebenaspekt hierbei ist , dass eine Wasserstof f- führende Pipeline gleichzeitig die Funktion eines Energiespeichers erfüllen kann, da der innere Druck in gewissen Grenzen variiert werden kann .
Aus diesen Überlegungen heraus ist es von besonderem wirtschaftlichen Interesse , den Wasserstof f direkt am Ort der Energiegewinnung, also autark und unabhängig vom öf fentlichen Netz , zu produzieren . Hierzu ist vorgeschlagen, die Elektrolyseanlagen auf Of f shore-Platt formen 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 Wasserstof f erzeugung zu nutzen . In all diesen Anwendungen ist die Elektrolyseanlage Teil eines Inselnetzes . Der Elektrolysestrom wird also nicht aus dem öf fentlichen Netz bezogen, sondern direkt von einer Windenergieanlage oder einer PV- Anlage geliefert und in einen Elektrolyseur der Elektrolyseanlage eingespeist . Im Gegensatz zu dem oben beschriebenen netzgeführten Betrieb bringt dies j eweils besondere Herausforderungen und Probleme hinsichtlich der elektrotechnischen Anbindung und Verschaltung der Elektrolyseanlage mit der j eweilige EE-Erzeugungsanlage mit sich, sei es eine Windenergieanlage oder eine Fotovoltaikanlage , insbesondere um einen sicheren und vor allem störungs freien Betrieb der Elektrolyseanlage in einem unmittelbaren Anlagenverbund mit der EE- Erzeugungsanlage zu gewährleisten .
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde , eine Elektrolyseanlage anzugeben, mittels derer Strom aus einer erneuerbaren Quelle direkt und störungs frei in die Elektrolyseanlage einspeisbar ist .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Elektrolyseanlage umfassend einen Elektrolyseur und eine Schaltungsanordnung, die einen Eingang zum Anschluss an eine Stromquelle sowie einen Ausgang aufweist , der an den Elektrolyseur angeschlossen ist , wobei die Schaltungsanordnung eine elektrische Filtereinrichtung aufweist , die derart ausgestaltet ist , dass hochfrequente Signalanteile dämpfbar sind .
Die Erfindung geht bereits von der Erkenntnis aus , dass Elektrolyseanlagen, insbesondere die PEM-Wasserelektrolyse- zellen des Elektrolyseurs , sehr empfindlich gegenüber hochfrequenten elektrischen Streuströmen sind . Diese Streuströme können über Erdverbindungen oder Erdschlüsse in die Elektrolyseanlage einkoppeln . Durch notwendige Anlagenteile wie Prozesstechnik, Gas-Separatoren, Hil fssysteme , wasserführende Versorgungsleitungen usw . einer Elektrolyseanlage ist auf Seiten der Elektrolyse die Verbindung mit der Erde unzureichend (Erdschluss oder Masseschlei fe . ) . Es ist daher einerseits bedeutsam zu vermeiden, dass sich Strompfade über die Erde schließen können, also ein Erdschluss oder Erdschlei fe gebildet ist . Andererseits ist die Einkopplung von elektromagnetischen Störfeldern an sich möglichst zu vermeiden oder zumindest eine Verringerung der Einstreuung . Diese Problematik ist besonders ausgeprägt bei einem direkten Anschluss einer Elektrolyseanlage an eine DC-Stromquelle , die etwa durch eine Fotovoltaikanlage oder eine Windenergieanlage bereitgestellt ist . In diesem komplexen Anlagenverbund aus erneuerbarer Energieerzeugungsanlage und Elektrolyseanlage mit einer EE-Direkt- einspeisung des Elektrolysestroms zum Betreiben der Elektrolyse skalieren die nachteiligen Ef fekte einer Erdschlei fe und der Einkopplung elektromagnetischer Wechsel felder in die verwendeten Bauelemente der Leistungselektronik entsprechend . Beispielsweise die weit verbreitete und bevorzugte Verwendung von Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode ( englisch : insulated-gate bipolar transistor, kurz IGBT ) in dem die Elektrolyse mit Hochstrom versorgenden Gleichrichter . Ein IGBT kann dabei vor allem auf der Erdseite relativ starke Störsignale erzeugen . Der IGBT ist ein Halbleiterbauelement , das in der Leistungselektronik verwendet wird, da es Vorteile des Bipolartransistors wie gutes Durchlassverhalten, hohe Sperrspannung, Robustheit und die Vorteile eines Feldef fekttransistors durch eine nahezu leistungslose Ansteuerung vereinigt . Etwa in einer so genannten dreiphasigen B6 Brückenschaltung mit einem IGBT-basierten Gleichrichter wird dadurch eine sehr genaue Steuerung des Elektrolysestroms bei guter Gleichrichtung erzielt . Die markanten Vorteile von IGBTs sind die hohen Spannungs- und Stromgrenzen : Spannungen von bis zu 6500 V und Ströme von bis zu 3600 A bei einer Leistung von bis zu einigen Megawatt , was IGBT ' s für den Einsatz in Elektrolyseanlagen prädestiniert .
Mit der Erfindung wird in einer Elektrolyseanlage mit der Schaltungsanordnung eine Filtereinrichtung auf der DC-Seite bereitgestellt , so dass eine wirksame Filterung von Störsignalen infolge hochfrequenter elektrischer Streuströme zwischen der externen Stromversorgungsquelle und dem gleichstrombetriebenen Elektrolyseur erzielt ist . Von Vorteil für eine flexible Ankopplung und direkten Anschluss an unterschiedliche Stromquellen erweist sich, dass die filterbasierte Schaltungsanordnung integraler Bestandteil der Elektrolyseanlage selbst ist . Dadurch sind viel fältige Anschlussmöglichkeiten inhärent bereitgestellt und ein netzunabhängiger Betrieb, insbesondere ein Inselbetrieb ist besonders vorteilhaft möglich . Dabei kann die originäre Stromquelle oder Stromversorgungsquelle sowohl eine Gleichstromquelle als auch eine Wechselstromquelle sein und diese wird vorteilhaft unmittelbar aus erneuerbaren Energien bereitgestellt . Durch die Filtereinrichtung ist in beiden Umgebungen und Anwendungen eine besonders störungs freie Versorgung des Elektrolyseurs mit einem stabilen Gleichstrom erreicht . Durch die Filtereinrichtung ist eine besonders einfache Lösung bereitgestellt , die flexibel anpassbar ist . Hierbei bietet es sich vorteilhaft an, auch Systeme und Komponenten der Eigenversorgung der Elektrolyseanlage , also die Hil fssysteme , die Steuerung usw . anlagenseitig ebenfalls hinter dem Filter anzuschließen und für den Betrieb dieser Systeme und Komponenten zu verwenden, da dort bereits Gleichstrom mit hoher Güte bereitgestellt wird . Dabei sind mit der Erfindung insbesondere hochfrequente Signalanteile aus einer externen Stromquelle selbst dämpfbar, an die die Elektrolyseanlage zur Versorgung mit einem Elektrolysestrom anschließbar ist . Aber auch eine Filterung hoch- frequeneter Signalanteile aus anderen störenden Stromquellen der Elektrolyseanlage selbst oder in deren Umgebung, die störende Einkopplung führen können .
In der Schaltungsanordnung wirkt die Filtereinrichtung dabei in ihrer Funktionsweise vorteilhaft in ähnlicher Weise wie ein Netz filter und kann entsprechend für die Anwendung in einer Elektrolyseanlage spezi fisch angepasst ausgestaltet sein . Vorliegend also kann die Filtereinrichtung beispielsweise als eine elektrische Schaltung ausgeführt sein, die sowohl elektrische Störungen, ausgehend von elektrischen Einrichtungen und Komponenten der Elektrolyseanlage mit dem Elektrolyseur in die Stromquelle , begrenzt ( Funkentstörung) , als auch die elektromagnetische Verträglichkeit und der Schutz der Elektrolyseanlage gegenüber Störungen aus der speisenden Stromquelle deutlich verbessert . Letzteres führt zu einer Erhöhung der Störf estigkeit der Elektrolyseanlage . Dies ist insbesondere von Interesse und Vorteil in Anwendungen, bei der der Strom aus einer erneuerbaren Quelle direkt und störungs frei in die Elektrolyseanlage als Gleichstrom einzuspeisen ist , d . h . bei einer Direkteinspeisung oder DC-Einspeisung aus einer Erneuerbaren-Energie-Anlage .
In der Schaltungsanordnung kann die Filtereinrichtung wahlweise als Tiefpass filter ausgeführt sein und Induktivitäten und Kondensatoren umfassen . Das Einsatzgebiet in einer Elektrolyseanlage für eine Direktanbindung und Versorgung eines Elektrolyseurs mit Elektrolysestrom ist vorzugsweise der Mit- telspannungs- und Niederspannungsbereich, j e nach Stromquelle . Die Filtereinrichtung ist als Komponente der Schaltungsanordnung vorteilhaft direkt in die gegenüber störenden Streuströmen besonders empfindlichen Elektrolyseanlage integriert oder ggf . in Störungen verursachenden stromführenden Anlagenteilen . Dabei ist es möglich und vorteilhaft , dass die Schaltungsanordnung mit der Filtereinrichtung als eigenes Modul ausgeführt ist , dass anschließbar und in die Elektrolyseanlage integrierbar ist . Somit ist für eine gefilterte und störungs freie Gleichspannung gesorgt , und zwar auf einem für die Elektrolyse gewünschten und vorbestimmten Spannungs- bzw . Stromniveau .
Die Schaltungsanordnung ist daher besonders vorteilhaft als Filtereinrichtung ausgestaltet und konzipiert für die Bereitstellung von Gleichstrom durch eine externe Stromquelle , insbesondere eine externe Gleichstromquelle , zur Versorgung des Elektrolyseurs mit Elektrolysestrom . Dies erfolgt durch direkte Kopplung bzw . direkten Anschluss des Eingangs an eine externe Stromquelle , insbesondere unmittelbar an eine externe Gleichstromquelle . Als externe Gleichstromquelle ist vorteilhaft eine Windenergieanlage oder eine Fotovoltaikanlage an die Elektrolyseanlage anschließbar, die j eweils netzunabhängig in einem so genannten Inselbetrieb sowohl für Of fshore- als auch für Onshore-Anwendungen vorteilhaft ausgestaltet sein können .
In vorteilhaften Anwendungen mit einer verfügbaren externen Gleichstromquelle als Stromquelle ist diese direkt und unmittelbar über den Eingang der Schaltungsanordnung anschließbar, so dass eine störungs freie Gleichstromversorgung des Elektrolyseurs erreicht ist . Durch die Filterung und Entkopplung über die in der Schaltungsanordnung vorgesehene Filtereinrichtung ist eine schädigende Einstreuung von hochfrequenten Streuströmen sicher vermieden und somit Erdschlussströme und unerwünschte Spannungsverluste in dem empfindlichen Elektrolyseur, v . a . eine Einkopplung in die Elektrolysezellen . Ein sicherer Betrieb der Elektrolyseanlage mit hoher Zuverlässigkeit und verbesserter Lebensdauer ist erreicht , da Verluste infolge spannungsreduzierender Strompfade reduziert sind . Zugleich ist eine einfache und zuverlässige Direktanbindung der Elektrolyseanlage an eine Energieerzeugungsanlage auf Basis erneuerbarer Energien erzielbar und ein gewünschter netzunabhängiger Betrieb möglich .
In besonders bevorzugter Ausgestaltung weist die Filtereinrichtung einen Tiefpass auf .
Mit einem Tiefpass oder Tiefpass filter ist eine besonders einfach in die Schaltungsanordnung integrierbare Realisierung geschaf fen, die hochfrequenten Störf requenzen aus der Stromquelle zu unterdrücken bzw . heraus zufiltern und nur den gewünschten Gleichstrom für die Elektrolyse durchzuschalten . Der Tiefpass filter kann dabei als passiver analoger Tiefpass ausgeführt sein, der beispielsweise einen Widerstand, eine Spule und einen Kondensator aufweist oder mehrere dieser elektrischen Bauelemente . Mit zusätzlichen aktiven Bauelementen, wie Operationsverstärker oder Transistoren, ist es auch möglich, dass ein aktiver analoger Tiefpass in der Filtereinrichtung vorgesehen ist . Bei einer bedarfsweise erforderlichen digitalen Signalverarbeitung werden zeitdiskrete Tiefpass filter in Filterstrukturen wie dem FIR- oder I IR-Filter realisiert . Dies erfolgt mit digitalen Schaltungen wie FPGAs oder mittels sequenzieller Computerprogramme .
Tiefpass filter für hohe Leistungen für Hochfrequenz und die Elektrische Energietechnik - wie vorliegend für die Elektrolyseanlage bevorzugt - werden aus Kondensatoren und Spulen auf gebaut . Man findet sie im Allgemeinen an den Lastausgängen von Frequenzumrichtern, Klasse-D-Verstärkern, Schaltnetzteilen und in Netz filtern .
In bevorzugter Ausgestaltung der Elektrolyseanlage ist die Filtereinrichtung als ein Tiefpass 1 . Ordnung ausgeführt , der ein RC-Glied aufweist .
Im einfachsten Fall besteht der Tiefpass vorteilhafterweise aus einer Widerstand-Kondensator-Kombination, ein so genanntes RC-Glied und stellt einen Butterworth-Filter mit 1 . Ordnung dar . Dabei wird im funktionsbeschreibenden Modell vorausgesetzt , dass die Quellimpedanz von der Eingangsspannung des Filters Null beträgt und die Lastimpedanz bei der Ausgangsspannung des Filters unendlich hoch ist .
Bei einem RC-Glied folgt einer ggf . sprunghaften Änderung der Eingangsspannung die Ausgangsspannung um dieselbe Sprunghöhe , aber verzögert im Verlauf einer Exponential funktion mit einer Zeitkonstante i = RC, die sogenannte Übertragungs funktion des RC-Glieds .
In besonders einfacher Ausgestaltung ist alternativ oder zusätzlich auch eine einfache Spule oder Spulenanordnung zur Dämpfung vor allem der der hochfrequenten Signalanteile denkbar . Diese ist beispielsweise direkt zwischen einem Gleichrichter und dem Elektrolyseur geschaltet und trägt im Betrieb den vollen Laststrom, d . h . diese ist also nicht mit Erde verbunden ist , sondern mit dem Gleichrichter und dem Elektrolyseur .
Vorzugsweise weist die Filtereinrichtung eine die hohen Frequenzanteile dämpfende Induktivität auf .
In weiter bevorzugter Ausgestaltung der Elektrolyseanlage ist die Filtereinrichtung als Tiefpass 2 . Ordnung oder höherer Ordnung ausgeführt , die zumindest einen LRC-Tiefpass aufweist . Damit kann für eine direkte DC-Anbindung der Strom- quelle an die Elektrolyseanlage eine Stromquelle besonders wirkungsvolle Filterung und Entstörung erzielt werden .
Einen Tiefpass zweiter Ordnung erhält man für die Schaltungsanordnung vorteilhaft , indem man zu einem Widerstand R eine Induktivität L in Reihe schaltet , da deren Blindwiderstand XL ebenfalls eine - und zwar zum Kondensator-Blindwiderstand Xc gegenläufige - Frequenzabhängigkeit besitzt . Dabei wird R so groß gewählt , dass keine oder nur eine geringe Spannungsüberhöhung des Frequenzgangs entsteht .
Durch das Hintereinanderschalten von mehreren Tiefpässen in der Schaltungsanordnung ist es auch möglich, dessen Ordnung vorteilhaft zu erhöhen . Beispielsweise bilden zwei hinterei- nandergeschaltete Tiefpässe 2 . Ordnung einen Tiefpass 4 . Ordnung . Die Dämpfung ändert sich dabei oberhalb der Grenz frequenz mit 4 x 20 dB/Dekade = 80 dB/Dekade , was einer Flankensteilheit von 24 dB/Oktave entspricht . Zwei zusammengeschaltete Tiefpässe mit gleicher Grenz frequenz ergeben aber keinen Tiefpass höherer Ordnung derselben Grenz frequenz . Für die Dimensionierung eines Tiefpasses mit gewünschter Grenzfrequenz stehen einschlägige Formeln und Tabellen zur Verfügung, die j e nach Anschlusssituation der Elektrolyseanlage an die externe Stromquelle anwendbar sind . Zusätzlich kann das Problem auftreten, dass ein Tiefpass in einer Kette vom Ausgangswiderstand des vorgeschalteten und dem Eingangswiderstand des nachgeschalteten Tiefpasses beeinflusst wird . Diesem Ef fekt kann mit Impedanzwandlern entgegengewirkt werden, die bedarfsweise zusätzlich in die Schaltungsanordnung integriert sind . Allgemein sind für einen Tiefpass filter n-ter Ordnung n speichernde Elemente , also Kondensatoren oder Spulen in der Schaltungsanordnung vorzusehen . Die Dämpfung eines Tiefpasses n-ter Ordnung nimmt oberhalb der Grenz frequenz mit n - 20 dB/Dekade zu . Ferner ist es bevorzugt möglich, mehrere parallele Filter, insbesondere Tiefpass filter, zu verwenden und vorteilhaft in Kombination zu einer Filteranordnung zu in der Elektrolyseanlage zu verschalten . Die j eweiligen Filter sind dabei auf unterschiedliche Frequenzen oder Frequenzband eingestellt , die sie j eweils entstören sollen
In bevorzugter Ausgestaltung der Elektrolyseanlage ist die Filtereinrichtung als aktiver Filter ausgestaltet , wobei die Filtereinrichtung einen Operationsverstärker aufweist .
Mit Operationsverstärkern können vorteilhaft aktive Tiefpässe in der Filtereinrichtung realisiert werden . Diese haben den Vorteil , dass der Frequenzgang auch bei einer am Ausgang angeschlossenen Last erhalten bleibt . Auch können sie so dimensioniert werden, dass sie auch die Stromquelle nur minimal belasten, sodass diese eine Impedanz größer Null haben kann .
In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Elektrolyseanlage umfasst diese einen Gleichrichter auf , der ausgangsseitig an den Eingang der Schaltungsanordnung angeschlossen ist und der eingangsseitig an eine externe Wechselstromquelle anschließbar ist , so dass ein von hochfrequenten Signalanteilen befreiter Gleichstrom über die Filtereinrichtung dem Elektrolyseur zuführbar ist . Ein von hochfrequenten Signalanteilen befreiter Gleichstrom beinhaltet und umfasst dabei technisch betrachtet auch einen weitgehend oder größtenteils von hochfrequenten Signalalanteilen befreiten Gleichstrom .
Damit ist die Elektrolyseanlage besonders vorteilhaft für den direkten Anschluss an eine Wechselstromquelle ausgestattet und eingerichtet , wie etwa für den Anschluss an eine Windenergieanlage , deren Generator Wechselstrom liefert . Gleichspannungsseitig, d . h . am Ausgang des Wechselrichters , ist der Wechselrichter an die Schaltungsanordnung angeschlossen . Wechselstromseitig, d . h . am Eingang des Wechselrichters , ist der Wechselrichter an eine externe Wechselstromquelle anschließbar . Durch die Zusammenschaltung des Wechselrichters mit der Schaltungsanordnung ist ein entstörter Anschluss der Elektrolyseanlage an eine Wechselstromquelle für den Betrieb der Elektrolyseanlage bereitgestellt . Es ist auch möglich, dass bei dieser Anwendung der Wechselrichter bereits eine in- tegrale Komponente der Schaltungsanordnung ist . Die Schaltungsanordnung weist für einen Wechselstromanschluss der Elektrolyseanlage dann den Wechselrichter und die Filtereinrichtung auf und diese Bauelemente wirken beide vorteilhaft zusammen . Dadurch ist die Elektrolyseanlage konfektioniert für einen Direktanschluss unmittelbar AC-seitig an eine Wechselstromquelle , wie etwa an eine Windenergieanlage im Inselbetrieb . Dabei ist die Elektrolyseanlage unmittelbarer Nähe zu der Windenergieanlage platziert oder in den Windpark mit einer Viel zahl von Windenergieanlagen integriert .
Bevorzugt ist der Gleichrichter regelbar und/oder als Dreiphasengleichrichter ausgestaltet , insbesondere ist der Gleichrichter als B6-Brückengleichrichter ausgebildet .
Eine Regelbarkeit des oder der Gleichrichter, welche vorteilhaft als Dreiphasengleichrichter beziehungsweise als B6- Brückengleichrichter ausgebildet sind, ermöglicht es , den über den oder die Gleichrichter erzeugten Gesamtstrom einzustellen und somit beispielsweise den Betrieb einer mit der Schaltungsanordnung verbundenen Elektrolyseur präzise zu steuern .
Dabei ist in bevorzugter Ausgestaltung der Elektrolyseanlage eine Filtereinrichtung seriell zwischen den Gleichrichter und den Elektrolyseur geschaltet . Die Serienschaltung hinsichtlich Gleichrichtung und Elektrolyseur stellt eine mögliche und vorteilhafte Anordnung der Filtereinrichtung dar . Der Elektrolyseur ist damit vor störenden Einkopplungen hochfrequenter Streuströme , beispielsweise über Erdschlei fen, geschützt . Der Laststrom wird in dieser Anordnung vollständig von der Filtereinrichtung getragen .
In alternativ oder zusätzlich bevorzugter Ausgestaltung der Elektrolyseanlage ist eine Filtereinrichtung an den Gleichrichter angeschlossen, wobei die Filtereinrichtung mit einem Bezugspotenzial , insbesondere mit Erdpotenzial oder Masse verbunden ist . Der Laststrom muss als Folge nicht von der Filtereinrichtung getragen werden . Diese alternative Ausgestaltung führt zu einer Lösung, die sich insbesondere günstig auf die Kosten auswirkt .
In dieser Ausgestaltung ist die Filtereinrichtung mit ihrer Eingangsseite unmittelbar an die Gleichstromseite , d . h . den Ausgang des Gleichrichters , angeschlossen und ein zweiter Anschluss an das Erdpotenzial . Der Ausgang des Gleichrichters ist zugleich mit dem Elektrolyseur verbunden, so dass der Ausgang des Gleichrichters , der Eingang der Filtereinrichtung und die Gleichstrom-Versorgungsleitung an den Elektrolyseur auf dem gleichen Potenzial liegen .
Es ist im Prinzip auch möglich und in bestimmten Anwendungen vorteilhaft , dass die oben beschriebene serielle Verschaltung der Filtereinrichtung mit der alternativen Verschaltung über Erdpotenzial in der Schaltungsanordnung kombiniert wird . Eine j eweilige Ausgestaltung und Auswahl einer der beiden Schaltungsvarianten ist aber im Allgemeinen vorzuziehen, da sich dies weniger komplex und kostenaufwändig in der Aus führung darstellt .
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ergibt sich aus der Ausgestaltung der Elektrolyseanlage für einen bevorzugten elektrischen Anschluss der Elektrolyseanlage an eine externe Stromquelle , insbesondere an eine externe Gleichstromquelle , wobei eine Erneuerbare-Energien-Anlage mit der Elektrolyseanlage direkt elektrisch verbunden ist . Hierdurch ist ein integraler Anlagenverbund gegeben .
In besonders bevorzugter Ausgestaltung umfasst der Anlagenverbund eine Elektrolyseanlage und eine Erneuerbare-Energien- Anlage , wobei durch die Erneuerbare-Energien-Anlage eine Stromquelle mit einem Ausgang gebildet ist , und wobei die Elektrolyseanlage an den Ausgang der Erneuerbare-Energien- Anlage angeschlossen ist . Hierdurch ist ein vom öf fentlichen Netz unabhängiger Inselnetzbetrieb in dem Anlagenverbund möglich, und eine unmittelbare Nutzung von Strom ausschließlich aus erneuerbaren Quellen für die Elektrolyse , so dass grüner Wasserstof f gebildet ist .
Vorzugsweise weist in dem Anlagenverbund die Erneuerbare- Energien Anlage eine Windenergieanlage auf .
Es ist auch möglich, dass in dem Anlagenverbund die Erneuer- bare-Energien-Anlage eine Windenergieanlage ist oder ein Windpark mit einer Viel zahl von Windenergieanlagen . Dabei kann eine Elektrolyseanlage auch von mehreren wechselstromseitig zusammengeschalteten Windenergieanlagen mit Wechselstrom versorgt werden . Die windbasierte Erzeugung von erneuerbarem Grünstrom zu 100% ist besonders attraktiv in Kombination mit der Elektrolyse . Durch den Gleichrichter in der Elektrolyseanlage , der ausgangsseitig an den Eingang der Schaltungsanordnung angeschlossen ist bzw . mit deren Eingang elektrisch verbunden ist , ist eine Filterung und Entstörung erzielt . Der Gleichrichter wandelt dabei den Wechselstrom aus der Windenergieanlage in einen Gleichstrom um und stellt zugleich vorteilhaft die gewünschte Gleichspannungsebene am Eingang für den Betrieb des Elektrolyseurs bereit . Zugleich ist ein direkter Anschluss an die Windenergieanlage und ein integrierter Anlagenverbund erreicht .
Vorteilhaft ist dadurch auch die Möglichkeit eröf fnet , mehreren elektrisch parallel geschaltete Elektrolyseure einer Elektrolyseanlage filtern zu können . Es kann in der Elektrolyseanlage sowohl einmal zentral hinter dem Gleichrichter gefiltert werden, oder mit mehreren kleineren entsprechend ausgelegten Filtereinrichtungen direkt an den mehreren parallel geschalteten Elektrolyseuren, die dann für eine Variation einer Teillast zu- und abgeschaltet werden können . Gerade wenn die Elektrolyseprozess eines Elektrolyseurs sich im Stillbefindet , ist dieser Elektrolyseur für hochfrequente Streuström besonders anfällig, verursacht durch den Betrieb der parallel geschalteten Elektrolyseure bzw . Teilanlagen der Elektzroly- seanlage .
In alternativer oder zusätzlicher Ausgestaltung des Anlagenverbunds ist es bevorzugt , dass eine Elektrolyseanlage an eine Erneuerbare-Energien-Anlage angeschlossen ist , wobei die Erneuerbare-Energien-Anlage eine Fotovoltaikanlage aufweist , so dass eine Gleichstromquelle mit einem Ausgang gebildet ist , und wobei die Elektrolyseanlage an den Ausgang der Fotovoltaikanlage angeschlossen ist .
In einer alternativen Ausgestaltung ist es vorzugsweise auch möglich und bevorzugt , dass in dem Anlagenverbund die Erneuerbare-Energien-Anlage eine Fotovoltaikanlage ist . Eine PV- Anlage stellt im Betrieb bereits einen Gleichstrom zur Verfügung, der für die Elektrolyse einfach nutzbar ist .
Auf Seiten der Erneuerbaren-Energie-Anlage sind in dem Anlagenverbund auch Kombianlagen möglich, die sowohl eine Windenergieanlage als auch eine Fotovoltaikanlage aufweisen . Bei einer PV-Anlage ist eine Gleichrichtung nicht erforderlich - hingegen erzeugt eine Windenergieanlage im Allgemeinen zunächst einen Wechselstrom und stellt diesen bereit . Für Elektrolysezwecke in dem Anlagenverbund mit einer Windenergieanlage bedarf es daher eines Gleichrichters . Dieser Gleichrichter ist bevorzugt bereits ein Bauteil der entsprechend für den Betrieb an einer Windenergieanlage eingerichteten Elektrolyseanlage . Ein Gleichrichter kann aber auch bereits in der Windenergieanlage selbst vorgesehen sein, um Gleichstrom am Anschluss oder Übergabepunkt zu der Elektrolyseanlage bereitzustellen .
Für eine Ausgestaltung als eine Kombianlage kann es überdies bevorzugt sein, in einem Anlagenverbund parallel zum einer Windenergieanlage und/oder einer Fotovoltaikanlage eine Batterie oder einen anderen Energiespeicher zu schalten und zu in den Anlagenverbund zu integrieren . Die Batterie oder der Energiespeicher ist bevorzugt dann ebenfalls mit einem DC/DC- Wandler angeschlossen analog zu einer elektrischen Einbindung einer Fotovoltaikanlage .
Somit kann eine direkte Anbindung einer Batterie oder eines Energiespeichers vorgesehen sein, wobei dann bevorzugt die Versorgung und das Laden der Batterie oder des Energiespeichers durch eine Stromquelle vorgesehen ist . Als Ergänzung zu der Erneuerbare-Energie-Anlage (EE-Anlage ) ist die Batterie oder der Energiespeicher sinnvoll und sehr vorteilhaft , auch zur Laststeuerung und gleichmäßigen Bestromung der Elektrolyseanlage mit Strom aus der Batterie und vor allem als Puf fer bei windarmen und/oder sonnenarmen Wetterlagen .
Im Falle einer Fotovoltaikanlage ist es vorzugsweise vorgesehen, dass in dem Anlagenverbund die Fotovoltaikanlage einen Gleichstromsteller oder Gleichspannungswandler aufweist , aufweist , der den Ausgang bildet .
In diesem Fall wird durch den Ausgang des Gleichstromstellers eine Gleichstromquelle der Fotovoltaikanlage auf einer vorgebbaren Gleichspannungsebene gebildet . Die Elektrolyseanlage ist an den Ausgang der Fotovoltaikanlage direkt und unmittelbar angeschlossen . Denkbar und möglich ist auch, dass der Gleichstromsteller eine Komponente der Leistungselektronik der Elektrolyseanlage ist und entsprechend an die PV- Spannungsebene angepasst .
Ein Gleichspannungswandler, auch DC-DC-Wandler genannt , englisch DC-DC Converter, bezeichnet eine elektrische Schaltung, die eine am Eingang zugeführte Gleichspannung in eine Gleichspannung mit höherem, niedrigerem oder invertiertem Spannungsniveau umwandelt . Die Umsetzung erfolgt mithil fe eines periodisch arbeitenden elektronischen Schalters und eines oder mehrerer Energiespeicher . Gleichspannungswandler zählen zu den selbstgeführten Stromrichtern . Im Bereich der elektrischen Energietechnik werden sie auch als Gleichstromsteller bezeichnet . Die zur Zwischenspeicherung der Energie benutzte Induktivität ( induktiver Wandler ) besteht aus einer Spule oder einem Wandler-Trans formator .
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Elektrolyseanlage der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Anlagenverbunds anzusehen und umgekehrt .
Weitere Vorteile , Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Aus führungsbeispiels 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 j eweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen .
Aus führungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert . Hierin zeigen schematisch und stark vereinfacht :
FIG 1 einen Anlagenverbund mit einer Elektrolyseanlage und einer Windenergieanlage in direkter DC- Ankopplung;
FIG 2 einen Anlagenverbund gemäß FIG 1 mit alternativer Filter Schaltung;
FIG 3 einen Anlagenverbund mit einer Elektrolyseanlage und einer Fotovoltaikanlage in direkter DC- Ankopplung;
FIG 4 einen Anlagenverbund gemäß FIG 3 mit alternativer Filter Schaltung;
Gleiche Bezugs zeichen haben in den Figuren die gleiche Bedeutung . In FIG 1 ist ein Anlagenverbund 100 gemäß der Erfindung dargestellt . Der Anlagenverbund 100 umfasst eine Elektrolyseanlage 1 und eine an die Elektrolyseanlage 1 angeschlossene Windenergieanlage 50A als Erneuerbare-Energie-Anlage (EE- Anlage ) und Quelle für grünen Strom . Die Elektrolyseanlage 1 weist einen Elektrolyseur 3 und eine Schaltungsanordnung 5 auf , die mit dem Elektrolyseur 3 elektrisch verbunden ist . Der Anschluss der Schaltungsanordnung 5 an den Elektrolyseur 3 erfolgt über den Ausgang 9 . Weiterhin weist die Schaltungsanordnung einen Eingang 7 auf , über den ein Gleichstrom der Elektrolyseanlage zuführbar ist . Der Eingang 7 ist zum Anschluss an eine externe Stromquelle , insbesondere eine externe Gleichstromquelle , ausgelegt . Die Zufuhr von Gleichstrom, so genannter Elektrolysegleichstrom, aus einer Gleichstromquelle erfolgt über die Schaltungsanordnung 5 . Zur störungsfreien und rauschunterdrückten Zufuhr eines Gleichstroms hoher Güte weist die Schaltungsanordnung 5 eine elektrische Filtereinrichtung 11 auf . Die Filtereinrichtung 11 ist derart ausgestaltet , dass hochfrequente Signalanteile aus der Stromquelle sehr ef fektiv dämpfbar und unterdrückbar sind . Hierzu ist die Filtereinrichtung 11 als ein Tiefpass ausgeführt , der ein RC-Glied aufweist , also als passives Bauelement . Weitere Möglichkeiten die Filtereinrichtung 11 aus zugestalten sind als Tiefpass 2 . Ordnung oder einer höheren Ordnung, die einen LRC-Tiefpass aufweist , also eine Induktivität , einen ohmschen Widerstand sowie eine Kapazität . Vorteilhaft kann auch die Ausstattung der Schaltungsanordnung 5 mit einer Filtereinrichtung 11 ausgeführt als aktiver Filter sein . Die Filtereinrichtung 11 weist dann als aktives Bauelement beispielsweise einen Operationsverstärker auf . Durch die Filtereinrichtung 11 sind Probleme mit Erdschlüssen und entsprechenden nachteiligen Einkopplungen hochfrequenter Störsignale in die Elektrolyseanlage 1 stark reduziert . Dies schützt die besonders empfindlichen Komponenten des Elektrolyseurs 3 , insbesondere die Viel zahl der Elektrolysezellen, und garantiert eine Sollspannung hoher Konstanz und Qualität . Die Elektrolyseanlage 1 weist ferner einen Gleichrichter 15 auf , der ausgangsseitig an den Eingang 7 der Schaltungsanordnung 5 angeschlossen ist . Eingangsseitig ist der Gleichrichter 15 an eine Wechselstromquelle angeschlossen, im Aus führungsbeispiel an eine einen Wechselstrom liefernde Windenergieanlage 50A. Der direkte Wechselstromanschluss (AG- Anschluss ) erfolgt über den Ausgang 52 der Windenergieanlage 50A. Durch die elektrische Filtereinrichtung 11 in der Schaltungsanordnung 5 ist bei dem Direktanschluss ein größtenteils von hochfrequenten Signalanteilen befreiter Gleichstrom über die Filtereinrichtung 11 dem Elektrolyseur 3 zuführbar .
Über den Gleichrichter 15 wird die Schaltungsanordnung 5 mit Gleichstrom versorgt , die wiederum mittels der Filtereinrichtung eine sehr wirksame Filterung für die direkte DC- Anbindung ermöglicht . Somit wird der Elektrolyseur 3 mit einem Gleichstrom, dem Elektrolysestrom versorgt . Der Elektrolyseur 3 kann dabei als PEM-Elektrolyseur oder als alkalischer Elektrolyseur ausgestaltet sein .
Zur Versorgung mit Gleichstrom für den Elektrolyseprozess ist die Elektrolyseanlage 1 direkt an die Windenergieanlage 50A angeschlossen . Der Anschluss erfolgt über den Ausgang 52 der Windenergieanlage 50A zunächst an den Gleichrichter 15 und in FIG 1 in einer Serienschaltung an die Schaltungsanordnung 5 mit der Filtereinrichtung 11 , die wiederum über den Ausgang 9 den Elektrolyseur 3 mit Elektrolysegleichstrom versorgt . Die Windenergieanlage 50A erzeugt zunächst einen Wechselstrom im Generator . Um einen Gleichstrom an den Elektrolyseur 3 übergeben zu können, ist in der Elektrolyseanlage 1 ein Gleichrichter 15 vorgesehen, so dass der direkte Anschluss am Ausgang 52 wechselstromseitig über diesen Gleichrichter 15 erfolgt , wobei der Gleichrichter hier vorteilhaft ein elektrisches Leistungsbauteil der Elektrolyseanlage 1 ist . Es ist aber auch möglich, dass eine Gleichrichtung bereits vor der Übergabe bei der Windenergieanlage 50A selbst erfolgt . Für eine Variierung der Spannung bzw . der Stromstärke für die Elektrolyse ist der Gleichrichter 15 regelbar und als Dreiphasengleichrichter als B6-Brückengleichrichter ausgebildet . Dieser weist einen nicht näher dargestellten IGBT als Halbleiterbauelement auf , einen Insulated-Gate-Bipolar- Transistor . Dies ist ein in der Leistungselektronik gerne verwendetes Bauteil , da es Vorteile des Bipolartransistors wie gutes Durchlassverhalten, hohe Sperrspannung, Robustheit und die Vorteile eines Feldef fekttransistors mit einer nahezu leistungslosen Ansteuerung vereinigt . Die markanten Vorteile von IGBTs sind die hohen Spannungs- und Stromgrenzen : Spannungen von bis zu 6500 V und Stromstärken von bis zu 3600 A bei einer Leistung von bis zu einigen Megawatt prädestinieren IGBT ' s für den Einsatz in Elektrolyseanlagen . Dadurch ist der IGBT in dem Gleichrichter 15 für den Arbeitsbereich des Elektrolyseurs 3 ideal einsetzbar .
Denkbar ist j e nach Anwendung auch die Verwendung eines so genannten IGCT in dem Gleichrichter 15 , d . h . eines integrated gate-commutated thyristors . Dieser weist einen verringerten Beschaltungsaufwand, eine Erhöhung der maximalen Puls frequenzen 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 .
Durch die Schaltungsanordnung 5 ist eine sehr ef fektive Entstörung über die Filtereinrichtung 11 realisiert . Hierdurch sind im Betrieb hochfrequente elektrische Streuströme stark reduziert , die über Erdschlei fen einkoppeln können und den Elektrolyseur 3 mit den sehr empfindlichen Elektrolysezellen beeinträchtigen, da die ohmschen Verluste durch Erdschlei fen zu einem sehr nachteiligen Spannungsabfall über den Elektrolysezellen führen können . Je geringer der elektrische Widerstand der Masseverbindung zwischen den beteiligten Komponenten, desto geringer der Potentialunterschied . Erreicht wird dies konventionell durch Kabel und Steckverbindungen mit ge- ringem Widerstand hoher Querschnitt der Schirme , geringer Kontakt-Übergangswiderstand und durch eine j e nach Auslegung eventuell optional auch noch zusätzlich vorgesehene galvanische Entkopplung . Es kann in der Filtereinrichtung 11 auch einfach ein Trans formator enthalten sein, d . h . ein Eisenkern mit Spulen, was eine weitere Maßnahme der Entstörung und Filterung darstellt , um generell insbesondere die Streuströme gegen Erde zu reduzieren .
Es ist daher möglich, die gewünschte Filterwirkung in der Filtereinrichtung 11 auch unter Verwendung einer Induktivität zu erzielen und die Filtereinrichtung 11 entsprechend aus zugestalten und anzupassen . Dabei können in der Filtereinrichtung 11 der Elektrolyseanlage 1 beispielsweise auch mehrere passive Filter für verschiedene Frequenzen oder gemischte passive und aktive Filteranordnungen für die Filtereinrichtung 11 vorgesehen sein . Dies kann unter anderem auch durch die Verwendung einer Spule/Leitung mit hoher Induktivität in Reihe , eines RC-Gliedes ( Tiefpass filter ) , eines LRC- Tiefpasses 2 . Ordnung, die Verwendung eines Tiefpasses höherer Ordnung oder aktive Filterung erfolgen .
Im Betrieb des Anlagenverbunds 100 wird grüner Strom in Windenergieanlage 50A erzeugt . Der im Generator erzeugte Wechselstrom wird im Gleichrichter 15 in einen Gleichstrom umgewandelt . Hierdurch ist durch die Erneuerbare-Energie-Anlage 50 - am Beispiel der Windenergieanlage 50A - letztendlich eine Gleichstromquelle bereitgestellt , so dass über den Ausgang des Gleichrichters 15 ein Gleichstrom direkt in den Eingang 7 der Elektrolyseanlage 1 eingespeist und zunächst an die Schaltungsanordnung 5 übergeben wird . In der Schaltungsanordnung 5 wird eine Filterung durch die Filtereinrichtung 11 durchgeführt , so dass Streuströme unterdrückt oder vermieden sind .
Durch die Schaltungsanordnung 5 wird ausgangsseitig am Ausgang 9 eine störungs freie oder brummfreie Elektrolyse- Gleichspannung bereitgestellt , mit der der Elektrolyseur 3 stabil betrieben wird, wobei Wasser in Wasserstof f und Sauerstof f zerlegt wird . Erdschlei fen sind vermieden . Durch den vorteilhaften direkten DC-Anschluss der Elektrolyseanlage 1 an die Windenergieanlage 52A ist ein netzunabhängiger Inselbetrieb möglich und eine dezentrale Erzeugung von grünem Strom Onshore- oder Of fshore j e nach Anwendung . Der Anteil von grünem Wasserstof f ist hierbei 100% .
In einem weiteren Aus führungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Anlagenverbunds 100 mit einer Windenergieanlage 50A ist in FIG 2 eine alternative Filterschaltung gezeigt . Hierbei ist keine serielle Schaltung der Schaltungsanordnung 5 mit der Filtereinrichtung 11 vorgesehen, sondern die Einbindung der Filterfunktion erfolgt dadurch, dass die Schaltungsanordnung 5 direkt am Gleichrichter 15 ausgangsseitig anschließt und gegen ein Bezugspotenzial 17 , insbesondere Erdpotenzial , Nullpotenzial oder Masse geführt ist . Somit ist der Elektrolyseur 3 dann über den Ausgang 9 mit gefilterter und entstörter Gleichspannung hoher Güte versorgt . Die Funktionsweise des über die Schaltungsanordnung 5 bereitgestellten gefilterten Direktanschlusses der Elektrolyseanlage 1 an die Windenergieanlage 50A ist analog zu dem in FIG 1 beschriebenen Anlagenverbund 100 .
In FIG 3 ist ein Anlagenverbund 100 mit einer Elektrolyseanlage 1 und einer Fotovoltaikanlage 50B in direkter DC- Ankopplung gezeigt , ein Anlagenkonzept mit einer sehr vorteilhaften Gleichstromquelle zur Versorgung der Elektrolyseanlage 1 mit Gleichstrom . Hierbei weist die Erneuerbare- Energien-Anlage 50 eine Fotovoltaikanlage 50B auf , mit einer Viel zahl nicht näher dargestellter PV-Module . Die Fotovoltaikanlage 50B kann beispielsweise als groß flächige und leistungs fähige Frei feldanlage - bevorzugt in sonnenreichen Regionen - ausgestaltet sein, so dass PV-Leistungen in der Spitze von mindestens 5 MW elektrischer Leistung für die Elektrolyse zur Verfügung stehen . Auf Seiten der Elektrolyseanlage 1 ist ein analoges Anlagenkonzept wie in FIG 1 angewendet und entsprechenden Anlagenkomponenten, d . h . mit einer Schaltungsan- Ordnung 5 und mit einem Elektrolyseur 3 , wobei die Schaltungsanordnung 5 in Reihe zwischen die Fotovoltaikanlage 50B und dem Elektrolyseur 3 angeordnet ist . Hierbei ist die Filtereinrichtung 11 entsprechend in einer Serienschaltung integriert und dem Elektrolyseur 3 vorgeschaltet .
Um auf eine gewünschte und vorteilhafte Spannungsebene für den Anschluss an die Elektrolyseanlage 1 zu kommen, ist in dem Beispiel der FIG 3 an die Fotovoltaikanlage 50B ein Gleichstromsteller 19 angeschlossen . Ein Gleichstromsteller 19 wird auch als DC-DC-Wandler bezeichnet , so dass die an dessen Eingang aus der Fotovoltaikanlage 50B zugeführte Gleichspannung in eine Gleichspannung mit höherem, niedrigerem oder invertiertem Spannungsniveau umwandelt wird . Die Umsetzung erfolgt mithil fe eines periodisch arbeitenden elektronischen Schalters und eines oder mehrerer Energiespeicher . Gleichstromsteller 19 oder auch als Gleichspannungswandler bezeichnet , zählen zu den selbstgeführten Stromrichtern, die im Bereich der elektrischen Energietechnik eine große Rolle spielen . Die zur Zwischenspeicherung der Energie benutzte Induktivität ( induktiver Wandler ) besteht aus einer Spule oder einem Wandler-Trans formator .
Der an die Fotovoltaikanlage 50B angeschlossene Gleichstromsteller 19 ist ausgangsseitig am Ausgang 52 an den Eingang 7 der Schaltungsanordnung 5 angeschlossen, so dass ein direkter Anschluss an die Elektrolyseanlage 1 und Versorgung mit PV- Gleichstrom erzielt ist , wobei durch die Filtereinrichtung 11 , insbesondere den Tiefpass filter, die Streuströme wirkungsvoll unterdrückt werden . In diesem Fall wird durch den Ausgang 52 des Gleichstromstellers eine Gleichstromquelle der Fotovoltaikanlage 52B auf einer vorgebbaren Gleichspannungsebene gebildet . Die Elektrolyseanlage 1 ist an den Ausgang 52 der Fotovoltaikanlage direkt und unmittelbar angeschlossen . Denkbar und möglich ist auch, dass der Gleichstromsteller 19 eine Komponente der Leistungselektronik der Elektrolyseanlage 1 selbst ist und entsprechend an die PV-Spannungsebene angepasst und vorkonfiguriert ist . In einem weiteren Aus führungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Anlagenverbunds 100 mit einer Fotovoltaikanlage 52B ist in FIG 4 einer alternative Filterschaltung gezeigt . Hierbei ist keine serielle Schaltung der Schaltungsanordnung 5 mit der Filtereinrichtung 11 vorgesehen, sondern die Einbindung und Sicherstellung der Filterfunktion erfolgt dadurch, dass die Schaltungsanordnung 5 direkt am Gleichstromsteller 19 ausgangsseitig anschließt und gegen ein Bezugspotenzial 17 , insbesondere Erdpotenzial , Nullpotenzial oder Masse geführt ist . Somit ist der Elektrolyseur 3 dann über den Ausgang 9 mit gefilterter und entstörter Gleichspannung hoher Güte versorgt . Die Funktionsweise des über die Schaltungsanordnung 5 bereitgestellten und über die Filtereinrichtung 11 störungs freien Direktanschlusses der Elektrolyseanlage 1 an die Fotovoltaikanlage 50B ist analog zu dem in FIG 3 beschriebenen Anlagenverbund 100 .
Mit der Erfindung ist eine Elektrolyseanlage 1 angegeben, mittels derer ein Gleichstrom oder ein Wechselstrom aus einer erneuerbaren Quelle direkt und störungs frei in die Elektrolyseanlage 1 einspeisbar ist , so dass 100% grüner Wasserstof f in der Elektrolyse erzeugbar ist . Dies erfolgt besonders vorteilhaft in dem beschriebenen Anlagenverbund 100 umfassend eine Elektrolyseanlage 1 und eine Erneuerbare-Energien-Anlage 50 , die direkt miteinander elektrisch verbunden sind und in räumlich in unmittelbarer Nähe aufgestellt und zu einem Anlagenverbund 100 vorteilhaft integriert sind .
Die Schaltungsanordnung 5 mit der Filtereinrichtung 11 ermöglicht dabei einen besonders einfachen und wirkungsvollen DC- Direktanschluss . Dies erscheint gegenüber alternativen Lösungsansätzen mit Trans formatoren, mit denen das Prinzip einer galvanischen Trennung oder Entkopplung nutzbar ist , von Kostenvorteil . Auch für den Fall , dass aufgrund anlagentechnischer lokaler Gegebenheiten und Einschränkungen ein komplexes und aufwändiges Trans formatorsystem nicht verfügbar oder nicht anwendbar ist , ist eine Filterung mit der elektrischen Filtereinrichtung 11 auf der DC-Seite gemäß der Erfindung zu bevorzugen, wobei hochfrequente Signalanteile gedämpft werden . Dies kann unter anderem auch durch die Verwendung einer Spule/Leitung mit hoher Induktivität in Reihe , eines RC- Gliedes ( Tiefpass filter ) , eines LRC-Tiefpasses 2 . Ordnung, die Verwendung eines Tiefpasses höherer Ordnung oder aktive Filterung erfolgen . Die Filterung in der die Filtereinrichtung 11 aufweisenden Schaltungsanordnung 5 erfolgt dabei entweder direkt am Gleichrichter 15 oder zwischen Gleichrichter 15 und Elektrolyseur 3 . Auch eine Filterung an einer Erdleitung, beispielsweise in einer Sternpunkterdung im Generatorsystem oder am oder im Gleichrichter 15 ist möglich . Auch eine Filterung an einer definierten Erdverbindung im Elektrolysesystem, z . B . mittig in einer Modulreihe , wo das Potential ohnehin nahe dem Bezugspotenzial 17 bzw . Erdpotenzial liegt .
Die Anwendung der Elektrolyseanlage 1 der Erfindung sowohl für PEM-Wasserstof f elektrolyseanlagen als auch für alkalische Elektrolyseanlagen in einem Anlagenverbund 100 mit einer Er- neuerbare-Energien-Anlage 50 ist besonders vorteilhaft . Hier wurde das Problem der Unterdrückung von hochfrequenten Erdströmen bei einer Direktanbindung, insbesondere einer DC- Direktanbindung, erkannt und wurde sehr vorteilhaft gelöst .

Claims

Patentansprüche
1. Elektrolyseanlage (1) umfassend einen Elektrolyseur (3) und eine Schaltungsanordnung (5) , die einen Eingang (7) zum Anschluss an eine Stromquelle sowie einen Ausgang (9) aufweist, der an den Elektrolyseur (3) angeschlossen ist, wobei die Schaltungsanordnung (5) eine elektrische Filtereinrichtung (11) aufweist, die derart ausgestaltet ist, dass hochfrequente Signalanteile, insbesondere aus der Stromquelle, dämpfbar sind.
2. Elektrolyseanlage (1) nach Anspruch 1, bei der die Filtereinrichtung (11) einen Tiefpass aufweist.
3. Elektrolyseanlage (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Filtereinrichtung (11) als ein Tiefpass 1. Ordnung ausgeführt ist, der ein RC-Glied aufweist.
4. Elektrolyseanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Filtereinrichtung (11) eine die hohen Frequenzanteile dämpfende Induktivität aufweist.
5. Elektrolyseanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Filtereinrichtung (11) als ein Tiefpass 2. Ordnung oder höherer Ordnung ausgeführt ist, der mindestens einen LRC-Tiefpass aufweist.
6. Elektrolyseanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer als aktiver Filter ausgestalteten Filtereinrichtung (11) , die einen Operationsverstärker aufweist.
7. Elektrolyseanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen Gleichrichter (15) , der ausgangsseitig an den Eingang (7) der Schaltungsanordnung (5) angeschlossen ist und der eingangsseitig an eine externe Wechselstromquelle anschließbar ist, so dass ein von hochfrequenten Signalanteilen befreiter Gleichstrom über die Filtereinrichtung (11) dem Elektrolyseur (3) zuführbar ist.
8. Elektrolyseanlage (1) nach Anspruch 7, bei der der Gleichrichter (15) regelbar und/oder als Dreiphasengleichrichter, insbesondere als B6-Brückengleichrichter , ausgebildet ist.
9. Elektrolyseanlage (1) nach Anspruch 7 oder 8, bei der eine Filtereinrichtung (11) seriell zwischen Gleichrichter (15) und Elektrolyseur (3) geschaltet ist.
10. Elektrolyseanlage (1) nach einem der Ansprüche 7, 8 oder 9, bei der eine Filtereinrichtung (11) an den Gleichrichter (15) angeschlossen ist und mit einem Bezugspotenzial (17) , insbesondere mit Erde, verbunden ist.
11. Anlagenverbund (100) mit einer Elektrolyseanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mit einer Erneuerbare- Energien-Anlage (50) , wobei durch die erneuerbare Energien Anlage (50) eine Stromquelle mit einem Ausgang (52) gebildet ist, und wobei die Elektrolyseanlage (1) an den Ausgang (52) der Erneuerbare-Energien-Anlage (50) angeschlossen ist.
12. Anlagenverbund (100) nach Anspruch 11, bei der die erneuerbare Energien Anlage (50) eine Windenergieanlage (50A) aufweist.
13. Anlagenverbund (100) mit einer Elektrolyseanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und mit einer Erneuerbare- Energien-Anlage (50) , wobei die erneuerbare Energien Anlage (50) eine Fotovoltaikanlage (50B) aufweist, so dass eine Gleichstromquelle mit einem Ausgang gebildet ist, und wobei die Elektrolyseanlage (1) an den Ausgang (52) der Fotovoltaikanlage (50B) angeschlossen ist.
14. Anlagenverbund (100) nach Anspruch 13, bei der die Fotovoltaikanlage (50B) einen Gleichstromsteller (19) aufweist, der den Ausgang (52) bildet.
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