EP4562227A2 - Elektrolyseanlage und deren verwendung - Google Patents

Elektrolyseanlage und deren verwendung

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Publication number
EP4562227A2
EP4562227A2 EP23782557.5A EP23782557A EP4562227A2 EP 4562227 A2 EP4562227 A2 EP 4562227A2 EP 23782557 A EP23782557 A EP 23782557A EP 4562227 A2 EP4562227 A2 EP 4562227A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrolysis
plant
water
insulating material
electrolysis plant
Prior art date
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Pending
Application number
EP23782557.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Robert Fleck
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
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 EP4562227A2 publication Critical patent/EP4562227A2/de
Pending legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/02—Process control or regulation
    • C25B15/023—Measuring, analysing or testing during electrolytic production
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
    • 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
    • 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

  • the invention relates to an electrolysis plant for producing hydrogen and oxygen as product gases, with an electrolysis module and with a process technology unit.
  • the invention further relates to a use of an electrolysis plant.
  • An electrolysis plant is a technical system that uses electrical current to bring about an electrochemical conversion of substances in an electrolyzer, known as electrolysis.
  • electrolysis In line with the variety of different electrolyses, there are also a variety of electrolyzers, such as an electrolyzer for water electrolysis, i.e. the decomposition of water as a reactant into the product gases oxygen and hydrogen.
  • One valuable material can be hydrogen, which is produced using water electrolyzers.
  • the hydrogen can be used to produce, for example, so-called renewable gas.
  • the electrolyzer In an electrolysis plant, the electrolyzer usually has a large number of electrolysis cells, which are arranged next to each other and stacked.
  • water electrolysis water is split into hydrogen and oxygen in the electrolysis cells.
  • distilled water In a PEM electrolyzer, distilled water is typically added as a reactant on the anode side and split into hydrogen and oxygen on a proton-permeable membrane (PEM).
  • PEM proton-permeable membrane
  • the water is then Anode oxidized to oxygen.
  • the protons pass through the proton-permeable membrane. Hydrogen is produced on the cathode side.
  • the water is usually pumped from the bottom into the anode compartment and/or cathode compartment.
  • alkaline electrolyzers In addition to PEM electrolysis systems that operate in an acidic environment, alkaline electrolyzers are also known and frequently used. Atmospheric electrolyzers are also known, which operate at atmospheric or low operating pressure, or pressure electrolyzers, which operate at a high operating pressure of 35 bar and above.
  • the individual electrolysis cells are typically stacked in an axial direction to form a module comprising a large number of individual cells and are installed to form the module or electrolysis module.
  • An electrolyzer usually has a plurality of modules which together form a so-called electrolysis stack or simply "stack". For example, 50 electrolysis cells can be stacked axially to form a module and in turn, for example, 5 modules can be stacked in the axial direction to form a stack, so that such an electrolysis stack can therefore comprise, for example, 250 cells in an overall axial assembly.
  • downtime management of the electrolyzer can generally be planned well and in advance and appropriate precautions and shutdown procedures can be initiated routinely and safely, in particular to ensure that water remains in the modules even after shutdown and, if necessary, is also circulated.
  • the object of the invention is therefore to provide an electrolysis plant in which standstill operation is technically simple and can be implemented safely, so that efficient frost protection can be achieved even over a longer period of time.
  • a further task is to specify an appropriate use of an electrolysis system in a standstill mode, in which protection against frost damage is achieved even when there is an acute risk of frost.
  • the object directed at an electrolysis plant is achieved according to the invention by an electrolysis plant for producing hydrogen and oxygen as product gases, with an electrolysis module and with a process technology unit, wherein the process technology unit has a reactant line for supplying process water and a product line, which are each connected to the electrolysis module, wherein the process technology unit is equipped with a thermally insulating insulation device comprising a thermal insulating material in such a way that a slower cooling of the process water is effected during standstill operation.
  • the invention is based on the knowledge that, particularly in the event of an interruption in the power supply for the electrolysis, reliable and efficient downtime operation or downtime management is required which avoids damage to the system, so that damage to the electrolysis modules and the electrolysis cells is avoided at all costs. If a connection of the electrolysis system to the public power grid is not available or is out of service for a longer period of time, it is imperative to protect electrolysis modules and in particular the electrolysis cells from various dangers which could result in the destruction or total loss of sensitive components of the cell, such as the membrane of a PEM cell or electrode or catalyst material. In addition to cells running dry due to water loss or a drop in the level in the cells, freezing of the process water in electrolysis modules must be avoided in particular.
  • the sensitive electrolysis cells and their components are kept moist, i.e. that they are soaked with liquid water even when the system is not in operation or that they are flushed with water when the power supply with electrolysis current is interrupted.
  • auxiliary energy systems such as battery storage for electric heating. Due to the high heat capacity of the water, the process water in the process technology unit has a very high thermal energy content at an operational temperature level of around 60 °C. Natural cooling would lead to a cooling from 60 °C to 40 °C within just one hour of the plant being shut down.
  • the process technology unit is equipped with a thermally insulating device so that the thermal energy available in the electrolysis plant can continue to be used to advantage by keeping it in the process water circuit for as long as possible and preventing the process water from cooling down quickly and naturally.
  • the thermal insulation material of the insulation device provides a passive insulation measure to keep the heat in the system for as long as possible. This slows down the cooling of the process water when the system is at a standstill and prevents freeze damage to the electrolysis module.
  • the heat-carrying process water is available as a heat medium at around 60 °C via the reactant line as the supply line and the product line as the return line.
  • the thermal insulation of the process technology unit means that the cooling process can be slowed down considerably, even in freezing conditions.
  • Partial circulation is particularly advantageous, for example via a controllable dosing valve, so that only a partial flow from the heat reservoir of the process water circulates in the thermally insulated process technology unit in a closed circuit, with heat being transferred to the electrolysis module via the process water.
  • the required circulation flow of circulated process water is selected to be minimal and is regulated using appropriate temperature sensors, for example, taking into account the outside temperature and the process water temperature. This means that weather-controlled standstill operation is implemented in the electrolysis plant.
  • the system concept of the invention is therefore particularly advantageous when connected to an island grid and the electrolysis system is operated on an offshore wind turbine, i.e. without a supply connection to the public power grid. During the dark periods in the winter months, it is therefore It is possible that the electrolysis plant will be idle for days without a power supply.
  • the insulation concept of the invention is a cost-effective and particularly efficient measure to specifically slow down the cooling process of the electrolysis modules and prevent freezing.
  • the available heat in the system is used and additional electrical heating from the battery system can be dispensed with entirely, or the battery system can be dimensioned accordingly smaller as reserve energy.
  • the process technology unit has a gas separator which has the thermal insulating material.
  • the gas separator is designed within the process technology unit for phase separation of the product gas from the water.
  • the electrolysis module is connected to the gas separator via the product line.
  • hydrogen and oxygen are obtained as product gases - initially in a respective phase mixture with water.
  • a respective gas separator is provided in a product line on the hydrogen side and the oxygen side of the electrolysis system.
  • the gas separator is advantageously thermally insulated as a component of the process technology unit that carries the process water.
  • the thermally insulating insulation device therefore advantageously comprises the gas separator with the thermal insulation material.
  • the insulation material is, for example, applied flatly from the outside to the container wall of the gas separator. In particular, the insulation material is applied to the entire surface and circumference of the gas separator in order to ensure the best possible thermal insulation for long periods of downtime.
  • the reactant line and the product line are separated from the I so- coated with a special material.
  • the thermally insulating sheath can be implemented using thermal pipe insulation with a correspondingly dimensioned wall thickness, for example in the form of an insulating tube or a self-adhesive insulating tube, which is guided tightly and flush around the tubular reactant line or, accordingly, around the product line.
  • a correspondingly dimensioned wall thickness for example in the form of an insulating tube or a self-adhesive insulating tube, which is guided tightly and flush around the tubular reactant line or, accordingly, around the product line.
  • pipe outer diameters of 20 mm to 120 mm are preferably possible with wall thicknesses of 10 mm to 50 mm.
  • the process technology unit has a heat exchanger to which the thermal insulation material is applied.
  • the heat exchanger cools the process water heated and returned in the electrolysis process.
  • the heat exchanger therefore forms a usable heat reservoir even when the electrolysis system is not in operation, provided the container is designed to be appropriately thermally insulated. This can be achieved, for example, by a number of appropriately designed thick-walled plates made of the insulating material, which can be self-adhesive.
  • the thermal insulation material has a thermal conductivity of less than 0.07 W/m-K, in particular less than 0.04 W/m-K.
  • thermal conductivity The lower the thermal conductivity is selected, the smaller the wall thickness of the insulating material used in the thermal insulation device can be. Therefore, a thermally highly insulating material with a thermal conductivity of less than 0.04 W/mK is particularly advantageous. In general, the lowest possible thermal conductivity is therefore conductivity is to be preferred, so that less material is used for the thermal insulation material and better handling is achieved when setting up the insulation device within the process technology unit.
  • the insulation device comprises an insulating material made of a flexible thermally insulating material.
  • the mechanical flexibility of the insulating material facilitates easy installation and attachment and adaptation to the geometry of the surface of a component of the process technology unit that is to be thermally insulated.
  • insulation layer thicknesses or material thicknesses of 9 mm to 30 mm, in particular 25 mm, are particularly advantageous for the insulating material from the point of view of mechanical flexibility and assembly.
  • the thermal insulation material comprises or consists of an elastomer foam based on synthetic rubber.
  • This choice of material provides particularly effective insulation for the electrolysis plant's process technology, particularly thermal insulation and protection of pipes, containers including pipe bends, for storing heat energy for idle operation. This saves battery-electric energy in particular, which would otherwise have to be kept available for electrical heating and temperature maintenance for frost protection.
  • Insulating hoses made of the insulating material with self-adhesive closure are advantageous; they completely enclose and thermally insulate the pipes, such as the reactant line and the product line.
  • the hoses can be dimensioned in such a way that they are preferably used for pipe outer diameters of 10-90 mm.
  • the thermally insulating device is optionally designed as a hose, a self-adhesive hose, a plate, a self-adhesive plate, a band or pipe support or combinations thereof.
  • a preferred use of an electrolysis plant according to the invention is in a standstill operation, in which reliable protection against freeze damage is achieved even in the event of an acute risk of frost.
  • a particularly preferred use of such an electrolysis plant is at an electrical connection with an offshore wind turbine for power supply, in particular in an island grid operation, wherein the electrolysis current is taken from the wind turbine and fed to the electrolysis plant.
  • a battery storage unit When used, a battery storage unit can be used as an auxiliary energy source, by means of which additional heat can be generated when required during standstill operation, so that a minimum temperature of the process water is maintained.
  • An auxiliary energy source is only necessary when required and only in addition to the thermal heat reservoir that is provided and usable by the thermally insulated process technology.
  • FIG 1 is a schematic representation of essential components of an electrolysis plant for hydrogen production
  • FIG 2 shows a section of an electrolysis plant with process engineering unit and a circuit on the oxygen side
  • FIG 3 shows a qualitative representation of a cooling curve of an electrolysis module during standstill operation of the electrolysis plant.
  • FIG. 1 shows a schematic and functional representation of an electrolysis system 1 for the electrochemical decomposition of water into the product gases hydrogen and oxygen.
  • the electrolysis system 1 is, for example, a PEM electrolysis system based on a proton exchange membrane.
  • FIG. 1 shows the typical and essential system components of a hydrogen generation system based on PEM electrolysis.
  • auxiliary systems such as a water treatment unit 27, a gas cleaning unit 29 and a cooling device 31 are required for the operation of the electrolysis system 1. provided.
  • Purified and demineralized water can be fed as a reactant via a feed line 35 to the electrolysis unit 21 via the water treatment unit 27 and can be added as required depending on the process and water requirement.
  • Product gas obtained from the electrolysis process for example hydrogen
  • the gas cleaning unit 29 can have several cleaning stages - not shown in detail - so that highly pure hydrogen freed from foreign gas components such as oxygen and other impurities is obtained as product gas.
  • Gas cleaning based on catalytic recombination is typically present in the gas cleaning unit 29 because a catalytic cleaning principle has a particularly high cleaning efficiency and specificity, particularly with regard to oxygen as a foreign gas component in the hydrogen product gas.
  • a compression unit downstream of the gas purification unit 29 - not shown in FIG. 1 - the hydrogen product gas can be compressed and then stored or transported further.
  • the actual material conversion process takes place in the electrolysis unit 21 during operation.
  • the electrolysis unit 21 has an electrolysis module 3, a power supply unit 23 and a process technology unit 5.
  • An electrolysis module 3 has several electrolysis cells. Several electrolysis modules 3 can be electrically connected in series to form a module network or "electrolysis stack" or the actual electrolyzer as the reactor for the electrochemical decomposition of water.
  • the individual electrolysis cells are typically stacked in an axial direction to form an electrolysis module 3 comprising a large number of individual cells and installed to form a module or electrolysis module 3.
  • An electrolyzer usually has a plurality of electrolysis modules 3, which together form a so-called electrolysis stack or simply "stack".
  • 50 electrolysis cells can be axially stacked to form a module and in turn, for example, 5 electrolysis modules 3 can be stacked in the axial direction to form a stack, so that such an electrolysis stack can therefore comprise, for example, 250 cells in an overall axial assembly.
  • the electrolysis modules 3 or the electrolysis cells or the electrolysis stack in a PEM electrolyzer have been filled with water for the first time, e.g. after production, it must be ensured that water (reactant water) or, when the electrolyzer is in operation, a water-gas mixture always remains in the modules. For example, running dry or drying out must be prevented in every operating phase, as this would lead to irreversible damage to the electrolyzer. Above all, the membrane must always be kept in a moist environment, but other functional parts and components such as the catalyst or the electrodes must not dry out either.
  • the process technology unit 5 is equipped with a thermally insulating insulation device 11.
  • the insulation device 11 has a thermal insulation material 17 with a low thermal conductivity, for example a maximum of 0.04 W/m-K, so that a good insulation effect is achieved and cooling is slowed down during standstill.
  • the process technology unit 5 has an educt line 7 and a product line 9, which are each connected to the electrolysis module 3. closed and are thereby - in addition to other components of the process technology unit 5 - particularly protected against frost by the insulation device 11.
  • the insulation material 17 is applied to the outer surface of the reactant line 7 and the product line 9, for example completely as a tubular pipe insulation.
  • the insulation material 17 has a flexible thermally insulating material, for example based on an elastomer foam based on synthetic rubber.
  • the thermal energy of the water available in the electrolysis system 1, for example around 60 °C can advantageously continue to be used during standstill operation by keeping this heat in the process water circuit for as long as possible and not allowing the process water to cool down quickly and naturally.
  • a connection to the electrolysis module 3 is provided via the reactant line 7 and the product line 9, so that the still warm process water from the process technology unit 5 can be transferred to the electrolysis module 3 and, if required, circulated in a circuit via an electrically driven and controlled circulation pump. In this way, the cooling process can be slowed down considerably without having to resort to any significant extent to auxiliary electrical systems such as the battery storage system 19 for maintaining the temperature above the freezing point of water.
  • the battery storage unit 19 can therefore be made smaller for the shutdown management of the electrolysis plant 1. Electrical energy is then only taken from this additional auxiliary energy source, in particular from the battery storage unit 19, when required, and is advantageously used to operate the circulation pump during shutdown. If necessary, additional electrically generated heating energy can also be made available in the process water circuit via a heating element (e.g. resistance heating) not shown in detail in FIG. 1 in order to heat the process water or to maintain the temperature at a minimum. minimum temperature to ensure reliable freeze protection of the electrolysis modules 3 .
  • a heating element e.g. resistance heating
  • electrical consumers of the process technology unit 5 such as pumps, drives or control elements, which generate heat during operation, as well as fittings and flanges, do not have the insulating layer in order to avoid heat build-up and overheating of these heat-producing components during normal operation and to ensure natural cooling of these components through heat dissipation.
  • the thermally insulating device 11 therefore preferably does not include these components in order to avoid overheating during operation.
  • FIG 2 shows a simplified representation of a section of an electrolysis plant 1 with a process technology unit 5 and a circuit on the oxygen side.
  • the electrolysis plant 1 is designed for the electrolysis of water so that hydrogen and oxygen can be generated as product gases during operation.
  • the electrolysis plant 1 shown here has, as an example, only one circuit on the oxygen side.
  • the process technology unit 5 is designed in a largely analogous manner for a corresponding second circuit on the hydrogen side.
  • FIG 1 is therefore a simple exemplary embodiment of an electrolysis plant 1 in order to illustrate the heat retention concept of the invention and the use of heat in a standstill operation in principle.
  • the electrolysis plant 1 has an electrolyzer 45 and electrolysis cell stack 37 with a large number of electrolysis cells (not shown in detail and stacked in the axial direction). An anodic half-cell and the cathodic half-cell of an electrolysis cell are separated by a membrane (not shown in detail).
  • the membrane material contains PFSA - "perfluorosulfonic acid", so that the electrolyzer 45 is implemented as a PEM system.
  • electrolysis cells are stacked to form an electrolysis module 3 and connected.
  • Several electrolysis modules 3 are connected together to form an electrolysis stack or simply "stack", which forms the actual electrolyzer 45 or reactor for the electrochemical conversion process in the electrolysis plant 1.
  • This simple circuit supplies the electrolysis cell stack 37 with water for the electrolysis reaction, with the water also serving to cool the cells during operation.
  • the oxygen produced as the product gas from the electrolysis is fed into the gas separator 13 for oxygen together with excess water in a phase mixture.
  • a phase separation takes place in the gas separator 13 and the gaseous oxygen is separated from the liquid water and removed from the circuit via the product gas line 33 for the oxygen.
  • the circuit includes a circulation pump 39 which, if necessary - in the event of an interruption in the power supply - can be driven in standstill mode with the help of the battery 19.
  • Used water is compensated for during operation by adding fully demineralized water (VE water) via the supply line 35 via a solenoid valve 47b. Although the water is fully demineralized, any minor impurities could accumulate in the circuit. To counteract this effect, if necessary, a further solenoid valve 47a can be temporarily opened and part of the water can be discarded from the circuit via the drain line 41.
  • VE water fully demineral
  • a sensor 49a and a sensor 49b are installed in the electrolysis system 1, which are used for in-situ monitoring of the quality of the process water in the system.
  • the sensors 49a, 49b can each be designed and installed as a conductivity sensor for measuring the specific conductivity as a quality indicator.
  • These conductivity sensors 5a, 5b can be used, for example, to draw conclusions about the fluoride concentrations in the water using a certain correlation. It is particularly advantageous to install the conductivity sensors 5a, 5b at points where the pressure in the system is as high as possible, since degassing of dissolved hydrogen or oxygen is particularly low or unlikely here. Gas bubbles would disrupt the precise measurement of the conductivity and falsify the result. Therefore, the conductivity sensors are positioned at a geodetically low point of the electrolysis plant 1 in order to exploit hydrostatic pressure advantages and thereby effectively counteract degassing.
  • the process technology unit 5 is provided with a thermal insulation device 11, which has a thermal insulation material 17, which is applied to surfaces of components of the process technology unit 5.
  • the insulation material 17 has a material with the lowest possible thermal conductivity of maximum 0.04 W/m-K, for example a Material under the trade name Armaflex or Armaflex Ultima is used in the design and configuration of the thermal insulation device 11.
  • An elastomer foam based on synthetic rubber is particularly suitable for this purpose in order to enable mechanical flexibility when installing and heat-tightly attaching the insulating material 17 to the surface of selected system components and parts in the process technology unit 5.
  • the gas separator 13 is therefore covered as completely as possible with the insulating material 17, and the educt line 7 and the product line 9 are covered with corresponding tubular insulation hoses which have the insulating material in an appropriate wall thickness.
  • the heat exchangers 15 present in the process technology unit 5 in the respective product gas line 33 are also thermally insulated and tightly encased in the insulating material 17. During operation, the heat exchangers 15 ensure that the product gas obtained - hydrogen or oxygen - is cooled so that the heat exchange medium, i.e. the water, is heated to a higher temperature by absorbing heat. This heat content can also be used when the electrolysis system 1 is at a standstill in order to delay the cooling of the electrolysis module 3 and to reliably prevent the process water in the electrolysis module 3 from freezing.
  • the heat retention concept is particularly economical in an island network operation and is reliable for frost protection of the electrolysis system 1 over several days.
  • the electrical connection of the electrolysis system 1 and the feeding of electrical power and supply of the power supply unit 23 - in accordance with the explanations in FIG 1 - is then carried out, for example, via an offshore wind energy plant in an island network, and is independent of a grid connection.
  • the electrolysis current from the wind energy plant is fed to the electrolysis system 1 and after appropriate rectification, it is fed to an electrolysis module 3 via the connecting cable 25 (see FIG. 1).
  • a battery storage unit 19 is used as an auxiliary energy source, by means of which additional heat is generated when the system is idle, so that a minimum temperature of the process water is always maintained.
  • the heat management concept in this case means that the auxiliary and storage systems can be made significantly smaller and are therefore more cost-effective.
  • the battery 19 can generally be used for an emergency power supply (UPS), for example to bridge a short-term power failure.
  • UPS emergency power supply
  • the battery 19 is also needed as required to prevent freezing in an emergency, although with a significantly lower battery capacity for an emergency heating requirement. Maintaining the temperature above freezing and thus providing reliable frost protection during standstill operation is primarily achieved by using the intrinsic thermal energy in the process water.
  • the battery 19 can also be used for cooling if required and to advantage in summer. In midsummer and at a typical process water temperature of 60 °C in the water circuit, this can also provide overheating protection in conjunction with the insulation device 11, for example by dissipating excess heat via the cooling device 31 (see FIG. 1).
  • a container solution can also be considered as a possible design for the thermally insulating insulation device 11, with a thermally insulated "container" with cooling as required, so that the process technology unit 5 and/or the electrolysis unit 21 do not overheat in summer if they are installed inside an insulation vessel such as a container.
  • the insulating effect of an insulation device 11 designed as a container would also reduce the cooling capacity required in summer.
  • FIG 3 is a qualitative diagram showing the cooling curve of an electrolysis module 3 when the electrolysis plant 1 is at a standstill.
  • the electrolysis plant 1 is supplied with electricity from an offshore wind turbine in a self-sufficient island grid operation, for example on an offshore platform on the high seas.
  • the time t is plotted on the x-axis of the diagram in FIG 3 and the temperature T of the water in an electrolysis module 3 over time is plotted on the y-axis.
  • the water therefore begins to freeze after a comparatively short time t G due to limited battery capacity in frost conditions during standstill operation, despite the additional heating via auxiliary systems.
  • the temporal temperature profile T 2 ( t ) shows the advantages that result from the heat storage and heat utilization concept of the invention: Due to the process technology unit 5 equipped with the thermally insulating insulation device 11, the thermal energy already available in the electrolysis plant 1 from operation can also be used advantageously in a standstill operation by keeping it in the process water circuit for as long as possible and not allowing the process water to cool down quickly naturally as before. Due to the thermal insulation material 17 of the insulation device 11, a effective passive insulation measure is provided to keep and use the available heat energy in the system for as long as possible. This significantly slows down the cooling of the process water during standstill operation and safely avoids freezing damage in an electrolysis module 3 for a long time.
  • the cooling process can be slowed down considerably compared to known measures, particularly in frost conditions, and can be done for at least several days and, advantageously, even longer. This means that even longer periods of darkness in an offshore island operation can be bridged without fear of frost damage.
  • a battery 19 or another storage system can also be provided in the electrolysis plant 1.
  • this due to the intrinsic temperature maintenance by the thermally insulating insulation device 11 of the process technology unit 5, this can be made much smaller and, if required, is also available for purposes other than heating, such as for operating a preferably existing circulating or circulation pump 39 for the process water as a heat medium in the reactant line 7 or . the product line 9.
  • Partial circulation is also particularly advantageous, for example via a controllable dosing valve, so that only a partial flow is taken from the heat reservoir of the process water circulates within the thermally insulated process technology unit 5 in a closed circuit, with heat being transferred in a targeted manner to the electrolysis module 3 via the process water as a heat carrier.
  • the water therefore remains liquid and the sensitive membrane remains soaked with water or is kept moist.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrolyseanlage (1) zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff als Produktgase, mit einem Elektrolysemodul (3) und mit einer Prozesstechnikeinheit (5), wobei die Prozesstechnikeinheit (5) eine Edukt-Leitung (7) zur Prozesswasserzufuhr und eine Produkt-Leitung (9) aufweist, die jeweils an das Elektrolysemodul (3) angeschlossen sind, wobei die Prozesstechnikeinheit (5) mit einer thermisch-isolierenden Isolationseinrichtung (11) umfassend einen thermischen Isolierwerkstoff (17) derart ausgestattet ist, dass in einem Stillstandbetrieb ein verlangsamtes Auskühlen des Prozesswassers bewirkt ist.

Description

Beschreibung
Elektrolyseanlage und deren Verwendung
Die Erfindung betrifft eine Elektrolyseanlage zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff als Produktgase, mit einem Elektrolysemodul und mit einer Prozesstechnikeinheit . Die Erfindung betrifft weiterhin eine Verwendung einer Elektrolyseanlage .
Eine Elektrolyseanlage ist eine technische Anlage, die mit Hilfe von elektrischem Strom eine elektrochemische Stoffumwandlung in einem Elektrolyseur herbeiführt, die so genannte Elektrolyse. Entsprechend der Vielfalt an unterschiedlichen Elektrolysen gibt es auch eine Vielzahl von Elektrolyseuren, wie beispielsweise einen Elektrolyseur für eine Wasserelektrolyse, d.h. die Zerlegung von Wasser als Edukt in Produktgase Sauerstoff und Wasserstoff.
Seit einiger Zeit gehen Überlegungen verstärkt 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 mit Wasser-Elektrolyseuren erzeugt wird. Mittels des Wasserstoffs kann beispielsweise sogenanntes EE-Gas hergestellt werden.
In einer Elektrolyseanlage weist der Elektrolyseur in der Regel eine Vielzahl von Elektrolysezellen auf, welche benachbart zueinander angeordnet und gestapelt sind. Mittels der Wasserelektrolyse wird in den Elektrolysezellen Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Bei einem PEM- Elektrolyseur wird typischerweise anodenseitig destilliertes Wasser als Edukt zugeführt und an einer protonendurchlässigen Membran (engl. : „Proton-Exchange-Membrane"; PEM) zu Wasserstoff und Sauerstoff gespalten. Das Wasser wird dabei an der Anode zu Sauerstof f oxidiert . Die Protonen passieren die protonendurchlässige Membran . Kathodenseitig wird Wasserstof f produziert . Das Wasser wird dabei in der Regel von einer Unterseite in den Anodenraum und/oder Kathodenraum gefördert .
Neben PEM-Elektrolyseanlagen, die im sauren Milieu arbeiten sind beispielsweise auch alkalische Elektrolyseure bekannt und häufig verwendet . Weiterhin sind atmosphärische Elektrolyseure bekannt , die bei einem atmosphärischen oder nur geringen Betriebsdruck arbeiten, oder aber auch Druckelektrolyseure , die bei einem hohen Betriebsdruck von 35 bar und darüber hinaus arbeiten .
Bei einem Elektrolyseur sind typischerweise die einzelnen Elektrolysezellen zu einem Modul umfassend eine Viel zahl von Einzel zellen in einer axialen Richtung gestapelt und zu dem Modul oder Elektrolysemodul verbaut . Ein Elektrolyseur weist dabei üblicherweise eine Mehrzahl von Modulen auf , die insgesamt einen sogenannten Elektrolysestack oder einfach „Stack" bilden . So können beispielsweise 50 Elektrolysezellen axial zu einem Modul gestapelt sein und wiederum beispielsweise 5 Module zu einem Stack in axialer Richtung gestapelt sein, so dass ein solcher Elektrolysestack mithin beispielsweise 250 Zellen in einem axialen Gesamtverbund umfassen kann .
Sobald beispielsweise bei einem PEM-Elektrolyseur die Elektrolysemodule , respektive die Elektrolysezellen oder der Elektrolysestack z . B . nach der Fertigung erstmalig mit Wasser gefüllt wurden, muss sichergestellt werden, dass stets Wasser (Eduktwasser ) bzw . im Betrieb des Elektrolyseurs ein Wasser- Gas-Gemisch in den Modulen verbleiben . Ein Trockenlaufen oder Austrocknen muss in j eder Betriebsphase verhindert werden, da dieses zu einer irreversiblen Schädigung des Elektrolyseurs führen würde . Vor allem die Membran muss stets in einem feuchten Milieu gehalten werden, aber auch andere Funktionsteile und Komponenten wie etwa der Katalysator oder die Elektroden dürfen nicht austrocknen . Dies gilt auch für die Gefahr von Gefrierschäden durch kalte Umgebungstemperaturen unter dem Gefrierpunkt des Prozesswassers der Elektrolyse bei einem gleichzeitigen längeren Anlagenstillstand . Ein Einfrieren muss also ebenso vermieden werden .
Bei einer Betriebsphase mit einer geplanten und bevorstehenden Wartung- oder Instandhaltung des Elektrolyseurs aus einem Normalbetriebs zustand, etwa zu Servicezwecken, ist ein Stillstandmanagement des Elektrolyseurs im Allgemeinen gut und vorausschauend planbar und entsprechende Vorkehrungen und Abschaltprozeduren können routinemäßig und sicher eingeleitet werden, um insbesondere auch nach dem Abschalten Wasser in den Modulen verbleibt und ggf . zusätzlich noch umgewäl zt wird .
Eine Quelle für erneuerbare Energien ist die Windkraft . Insbesondere mit küstennahen, sogenannten Of fshore- Windkraf tanlagen lassen sich große elektrische Leistungen realisieren . Heraus forderend ist allerdings , dass eine große Distanz zu den Verbrauchern zu überwinden ist und ein Netzanschluss zur Stromversorgung notwendiger Hil fs- und Schutzsysteme für den Elektrolyseuer bei einem Anlagenstillstand nicht gegeben ist . Bemühungen ein autarkes Versorgungssystem zum bedarfsweisen oder vorsorglichen Schutz des Elektrolyseurs einer Elektrolyseanlage zu erreichen, erweisen sich bisher beim Of f shore-Einsatz oder bei einer entlegenen Onshore-Anbindung als sehr aufwändig . Insbesondere bei Of f shore-Elektrolyseanlagen muss ein ganz besonderes Augenmerk auf die Vermeidung von Schäden des Elektrolyseurs gelegt werden, da eine Netzanbindung zur Versorgung im allgemeinen nicht vorhanden ist . Daher finded man hierfür im Stand der Technik sehr aufwändige Backup-Systeme aus Batterien und Notstrom-Versorgungseinrichtungen, die bei einem Stillstand der Erzeugungsanlage beispielsweise bei einer Dunkel flaute zumindest temporär einen Stillstandbetrieb zum Schutz des Elektrolyseurs ermöglichen .
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Elektrolyseanlage anzugeben, bei der ein Stillstandbetrieb technisch einfach und sicher realisierbar ist , so dass ein ef fi zienter Gefrierschutz auch über einen längeren Zeitraum erzielbar ist . Eine weitere Aufgabe besteht in der Angabe einer entsprechenden Verwendung einer Elektrolyseanlage in einem Stillstandbetrieb, bei der auch bei akuter Frostgefahr ein Schutz vor Gefrierschäden erzielt wird .
Die auf eine Elektrolyseanlage gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Elektrolyseanlage zur Erzeugung von Wasserstof f und Sauerstof f als Produktgase , mit einem Elektrolysemodul und mit einer Prozesstechnikeinheit , wobei die Prozesstechnikeinheit eine Edukt-Leitung zur Prozesswasserzufuhr und eine Produkt-Leitung aufweist , die j eweils an das Elektrolysemodul angeschlossen sind, wobei die Prozesstechnikeinheit mit einer thermisch-isolierenden I solationseinrichtung umfassend einen thermischen I solierwerkstof f derart ausgestattet ist , dass in einem Stillstandbetrieb ein verlangsamtes Auskühlen des Prozesswassers bewirkt ist .
Die Erfindung geht hierbei von der Erkenntnis aus , dass insbesondere bei einer Unterbrechung der Stromzufuhr für die Elektrolyse ein zuverlässiger und ef fi zienter Stillstandbetrieb oder ein Stillstandsmanagement unter Vermeidung von Anlagenschäden erforderlich ist , so dass ein Schaden von den Elektrolysemodulen und den Elektrolysezellen unbedingt vermieden wird . Steht ein Netzanschluss der Elektrolyseanlage an das öf fentliche Stromnetz nicht zur Verfügung oder fällt über einen längeren Zeitraum aus , so ist es dringend geboten, Elektrolysemodule und insbesondere die Elektrolysezellen vor verschiedenen Gefahren zu schützen, die eine Zerstörung oder einen Totalverlust von empfindlichen Komponenten der Zelle wie etwa Membran einer PEM-Zelle oder Elektrode oder Katalysatormaterial zur Folge haben können . Neben einem Trockenlaufen von Zellen durch Wasserverlust oder Pegelabsenkung in den Zellen ist vor allem ein Gefrieren des Prozesswassers in Elektrolysemodulen zu vermeiden . Dieser akuten Gefahr des Totalverlusts der Zellen durch Einfrieren ist vor allem an Einsatzorten der Elektrolyseanlage in Gegenden mit Frostgefahr zu begegnen . Dies ist insbesondere bei einer Of f-Shore-Aufstellung der Elektrolyseanlage von großer Bedeutung, da hier kein Anschluss an das öf fentliche Stromnetz zur Energieversorgung auch im Stillstandbetrieb möglich ist . Aber auch beim On-Shore-Einsat z in einem Inselnetzbetrieb ohne öf fentliche Netzanbindung, beispielsweise in entlegenen und wenig erschlossenen Landstrichen .
In j edem Fall ist es erforderlich, dass die empfindlichen Elektrolysezellen und deren Komponenten feucht gehalten werden, d . h . dass diese auch im Stillstandbetrieb mit flüssigem Wasser getränkt oder von Wasser durchspült sind, wenn die Stromversorgung mit Elektrolysestrom unterbrochen ist .
Gerade unvorhergesehene und insbesondere sicherheitsbedingte oder witterungsbedingte Abschaltungen und Unterbrechungen der Stromzufuhr beispielsweise bei einer Direktanbindung der Elektrolyseanlage an eine Windenergieanlage in kurzer zeitlicher Frist oder sogar instantane Notabschaltungen bei Störfällen können erhebliche Probleme bereiten . Dunkel flauten auf der Erzeugerseite sind daher bislang nur recht schwierig und technisch mit hohem Aufwand zu beherrschen, vor allem hinsichtlich der Verhinderung eines Gefrierschadens bei Außentemperaturen im Frostbereich, so dass das Wasser in den Elektrolysezellen gefriert . Aufwändige und teure Batteriesysteme , Energiespeichersysteme oder Notstromaggregate müssen in diesen Anwendungs fällen an der Elektrolyseanlage vorgehalten und sehr groß ausgelegt werden, um bei einem Stromaus fall die elektrische Energie für eine Minimalversorgung und Temperaturhaltung des Prozesswassers im Elektrolysemodul über dem Gefrierpunkt sicherzustellen . Bei Stromaus fällen oder Dunkelflauten im Of f shore-Einsatz deutlich als über wenige Stunden oder gar mehrere Tage ist ein Gefrierschutz bei niedrigen Umgebungstemperaturen unterhalb des Gefrierpunkts des Wassers dann nicht gewährleistet . In kurzer Zeit wäre ein Gefrierschaden zu verzeichnen . Mit der Elektrolyseanlage der Erfindung ist hier wirkungsvolle Abhil fe geschaf fen, indem die betrieblich vorhandene Wärmeenergie des Prozesswassers auf einfache Weise nutzbar gemacht wird, um ein Gefrieren des Prozesswassers über einen längeren Zeitraum zu verhindern . Dabei wird nicht oder nur in geringem Umfang auf die bekannten Hil fsenergiesysteme zurückgegri f fen, wie etwa Batteriespeicher für eine elektrische Hei zung . Das Prozesswasser in der Prozesstechnikeinheit weist aufgrund der hohen Wärmekapazität des Wassers bei einem betrieblichen Temperaturniveau von etwa 60 ° C einen sehr hohen Wärmeenergieinhalt auf . Eine natürliche Auskühlung würde hier bereits innerhalb einer Stunde nach Anlagenstillstand zu einer Abkühlung von 60° C auf 40 ° C führen .
Durch die mit der thermisch-isolierenden I solationseinrichtung ausgestattete Prozesstechnikeinheit ist diese in der Elektrolyseanlage verfügbare Wärmeenergie vorteilhaft weiter nutzbar, indem sie möglichst lange im Prozesswasserkreislauf gehalten wird und das Prozesswasser nicht einer raschen natürlichen Auskühlung überlassen . Durch den thermischen I solierwerkstof f der I solationseinrichtung ist eine passive Dämmmaßnahme bereitgestellt , um die Wärme möglichst lange im System zu halten . Dadurch ist in einem Stillstandbetrieb ein verlangsamtes Auskühlen des Prozesswassers bewirkbar und ein Gefrierschaden in dem Elektrolysemodul vermeidbar . Dabei steht das wärmetragende Prozesswasser bei ca . 60 ° C über die Edukt-Leitung als Hinleitung und die Produkt-Leitung als Rückleitung als Wärmemedium zur Verfügung . Durch die thermische I solation der Prozesstechnikeinheit kann dadurch der Abkühlprozess auch bei Frostbedingungen erheblich verlangsamt werden . Dadurch ist eine einfache und ef fi ziente Maßnahme geschaf fen, um vorteilhafterweise den Aufwand für die bisher üblichen autarken Speichersysteme , wie etwa Batterien oder Notstromsysteme zur Hei zung des Prozesswassers gering zu halten und gegenüber den bekannten Systemen weiter zu vermindern . Geringere Gestehungs- und Systemkosten aufgrund reduzierter Materialkosten, Gewicht , Bauraumbedarf usw . sind zu verzeichnen, wobei mit dem Temperaturhaltungskonzept der Erfindung sogar ein längerer Stillstand der Elektrolyseanlage möglich ist , ohne einen schädigenden Gefrierschaden für die Zellen befürchten zu müssen .
Dies ist vor allem für einen Inselnetzbetrieb in Of fshore- Umgebung der Elektrolyseanlage besonders vorteilhaft . Somit können mehrere Tage einer Dunkel flaute oder eines Stromausfalls sicher überbrückt werden . Ein Batterie- oder anderweitiges Speichersystem kann weiter bei der Elektrolyseanlage bereitgestellt sein . Dieses kann allerdings aufgrund der intrinsischen Temperaturhaltung durch die thermische I solationseinrichtung der Prozesstechnikeinheit deutlich kleiner dimensioniert werden und steht bedarfsweise gezielt für andere Zwecke zur Verfügung, wie etwa zum Betreiben einer vorzugsweise vorhandenen Umwäl z- oder Zirkulationspumpe für das Prozesswasser als Wärmemedium in der Edukt-Leitung bzw . der Produkt-Leitung . Somit kann eine Temperaturhaltung über mehrere Tage durch den Zirkulationsprozess ermöglicht , aufrechterhalten und ein Abkühlen verlangsamt werden, wobei ein Gefrieren sicher verhindert ist . Dabei ist auch eine Teil zirkulation besonders vorteilhaft , etwa über ein steuerbares Dosierventil , so dass j eweils nur ein Teilstrom aus dem Wärmereservoir des Prozesswassers in der thermisch isolierten Prozesstechni- keinheit in einem geschlossenen Kreislauf zirkuliert , wobei Wärme über das Prozesswasser in das Elektrolysemodul übertragen wird . Der erforderliche Zirkulations fluss an umgewäl zten Prozesswasser wird minimal gewählt und ist beispielsweise unter Berücksichtigung der Außentemperatur und der Prozesswassertemperatur mittels entsprechender Temperatursensoren geregelt . Hierdurch ist bei der Elektrolyseanlage ein witterungsgeführter Stillstandbetrieb implementiert .
Das Anlagenkonzept der Erfindung ist daher besonders vorteilhaft einsetzbar, bei einem Inselnetzanschluss und Betrieb der Elektrolyseanlage an eine Of f shore-Windenergieanlage , d . h . ohne einen Versorgungsanschluss an das öf fentliche Stromnetz . Während der Dunkel flauten in den Wintermonaten ist es damit möglich, dass die Elektrolyseanlage tagelang ohne Stromversorgung im Stillstandbetrieb steht . Um die erheblichen Systemkosten für Batteriespeicher zu reduzieren, die geschätzt bei etwa 76 Tonnen Batteriemasse pro Windturbine betragen, ist das I solationskonzept der Erfindung eine kostengünstige und besonders ef fi ziente Maßnahme , um den Abkühlungsprozess der Elektrolysemodule gezielt zu verlangsamen und ein Einfrieren zu verhindern . Dabei wird auf die verfügbare Wärme im System zurückgegri f fen und eine elektrische Zusatzhei zung aus dem Batteriesystem kann gänzlich entfallen oder das Batteriesystem kann entsprechend geringer dimensioniert werden als Reserveenergie .
In bevorzugter Ausgestaltung der Elektrolyseanlage weist die Prozesstechnikeinheit einen Gas-Separator auf , der den thermischen I solierwerkstof f aufweist .
Der Gas-Separator ist innerhalb der Prozesstechnikeinheit zur Phasentrennung des Produktgases von dem Wasser ausgelegt . Dabei ist das Elektrolysemodul über die Produkt-Leitung an den Gas-Separator angeschlossen . Bei der Wasserelektrolyse wird Wasserstof f und Sauerstof f als Produktgase - zunächst in einem j eweiligen Phasengemisch mit Wasser - gewonnen . Ein j eweiliger Gas-Separator ist in eine Produkt-Leitung auf der Wasserstof f seite und der Sauerstof f seite der Elektrolyseanlage vorgesehen . Vorteilhaft ist der Gas-Separator als eine das Prozesswasser führende Komponente der Prozesstechnikeinheit thermisch isoliert . Die thermisch-isolierende I solationseinrichtung umfasst mit dem thermischen I solierwerkstof f daher vorteilhaft den Gas-Separator . Der I solationswerkstof f ist beispielsweise flächig von außen auf die Behälterwand des Gas-Separators aufgebracht . Insbesondere ist der I solationswerkstof f voll flächig und vollumfänglich an dem Gas-Separator angebracht , um eine möglichst gute Wärmeisolierung zu gewährleisten für einen langen Stillstandbetrieb .
In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Elektrolyseanlage ist die Edukt-Leitung und die Produkt-Leitung von dem I so- lierwerkstof f ummantelt.
Die thermisch isolierende Ummantelung kann mittels einer thermischen Rohrisolierung mit einer entsprechend dimensionierten Wandstärke, beispielsweise in Form eines Isolierschlauchs oder eines selbstklebenden Isolierschlauchs, realisiert sein, die eng und bündig um die rohrförmige Edukt- Leitung bzw. entsprechend um Produkt-Leitung geführt ist. Für ein Isolierrohr sind vorzugsweise Rohraußendurchmesser von 20 mm bis 120 mm möglich bei Wandstärken von 10 mm bis 50 mm.
Vorzugsweise weist in der Elektrolyseanlage die Prozesstechnikeinheit einen Wärmetauscher auf, auf den der thermische Isolierwerkstoff aufgebracht ist.
Hierbei ist vorteilhaft eine großflächige und vollflächige Ummantelung des Wärmetauschers mit dem Isolationswerkstoff vorgesehen, so dass die Wärme im System möglichst lange speicherbar und vorhaltbar ist. Im Normalbetrieb kühlt der Wärmetauscher das im Elektrolyseprozess erwärmte und zurückgeführte Prozesswasser ab. Der Wärmetauscher bildet daher ein nutzbares Wärmereservoir auch im Stillstandbetrieb der Elektrolyseanlage, sofern der Behälter entsprechend thermisch isoliert ausgeführt ist. Dies kann etwa durch eine Anzahl von entsprechend ausgeführten dickwandigen Platten aus dem Isolationswerkstoff, die selbstklebend sein können, realisiert sein.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Elektrolyseanlage weist der thermische Isolierwerkstoff eine Wärmeleitfähigkeit von kleiner als 0,07 W/m-K, insbesondere kleiner als 0,04 W/m-K auf.
Je kleiner die Wärmeleitfähigkeit gewählt wird, desto geringer kann die Wandstärke des in der thermischen Isolationseinrichtung verbauten Isolierwerkstoffs ausgelegt sein. Daher ist ein thermisch hochisolierender Werkstoff mit einer Wärmeleitfähigkeit von kleiner als 0,04 W/m-K besonders vorteilhaft. Im Allgemeinen ist daher eine möglichst geringe Wärme- leit f ähigkeit zu bevorzugen, so dass dann weniger Materialeinsatz für den thermischen I solierwerkstof f zu verzeichnen ist und eine bessere Handhabbarkeit beim Aufbau der I solationseinrichtung innerhalb der Prozesstechnikeinheit .
Vorzugsweise weist die I solationseinrichtung einen I solierwerkstof f aus einem flexiblen thermisch-isolierenden Dämmmaterial auf .
Eine mechanische Flexibilität des I solierwerkstof fs begünstigt eine einfache Verbauung und ein Anbringen und Anpassung an die Geometrie der thermisch zu dämmenden Oberfläche einer Komponente der Prozesstechnikeinheit .
Daher sind Dämmschichtdicken bzw . Materialstärken von 9 mm bis 30 mm, insbesondere von 25 mm, für den I solierwerkstof funter den Gesichtspunkten der mechanischen Flexibilität und dem Zusammenbau besonders vorteilhaft .
Dabei ist es bevorzugt , dass der thermische I solierwerkstof f einen Elastomerschaum auf Basis synthetischen Kautschuks aufweist oder daraus besteht .
Durch diese Materialwahl ist eine besondere wirkungsvolle Dämmung der Prozesstechnik der Elektrolyseanlage , insbesondere eine thermische I solierung und ein Schutz von Rohrleitungen, Behältern inkl . Rohrbögen, zur Speicherung der Wärmeenergie für den Stillstandbetrieb erreicht . Hierdurch wird insbesondere batterieelektrische Energie eingespart , die ansonsten zur elektrischen Aufhei zung und Temperaturhaltung für einen Gefrierschutz vorzuhalten ist .
Isolierschläuche aus dem I solierwerkstof f mit Selbstklebever- schluss sind vorteilhaft möglich, die die Rohrleitungen wie beispielsweise die Edukt-Leitung und die Produkt-Leitung vollständig umschließen und thermisch isolieren . Die Schläuche können derart dimensioniert sein, dass sie bevorzugt für Rohraußendurchmesser von 10- 90 mm einsetzbar sind . In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Elektrolyseanlage ist die thermisch-isolierende I solationseinrichtung wahlweise als ein Schlauch, ein selbstklebender Schlauch, eine Platte , eine selbstklebende Platte , ein Band oder Rohrträger oder Kombinationen davon ausgeführt .
Eine bevorzugte Verwendung einer erfindungsgemäßen Elektrolyseanlage ergibt sich in einem Stillstandbetrieb, bei der auch bei akuter Frostgefahr ein zuverlässiger Schutz vor Gefrierschäden erzielt wird .
Eine besonders bevorzugte Verwendung einer solchen Elektrolyseanlage ergibt sich an einem elektrischen Anschluss mit einer Of f shore-Windenergieanlage zur Stromversorgung, insbesondere in einem Inselnetzbetrieb, wobei der Elektrolysestrom aus der Windenergieanlage bezogen und der Elektrolyseanlage zugeführt wird .
Bei der Verwendung kann als Hil fsenergiequelle ein Batteriespeicher eingesetzt werden, mittels dessen bedarfsweise zusätzliche Wärme in einem Stillstandbetrieb erzeugt wird, so dass eine Mindesttemperatur des Prozesswassers aufrechterhalten wird .
Eine Hil fsenergiequelle ist dabei nur bedarfsweise notwendig und lediglich in Ergänzung zu dem thermischen Wärmereservoir, das durch die thermisch-isolierte Prozesstechnik bereitgestellt und nutzbar ist .
Vorteile der Elektrolyseanlage sind als vorteilhafte Ausgestaltungen der Verwendung der Erfindung anzusehen und umgekehrt .
Weitere Vorteile , Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Aus führungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung . Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskom- binationen 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 eine schematische Darstellung wesentlicher Komponenten einer Elektrolyseanlage für die Wasserstofferzeugung;
FIG 2 einen Ausschnitt aus einer Elektrolyseanlage mit Prozesstechnikeinheit und einem Kreislauf auf der Sauerstof f seite ;
FIG 3 in qualitativer Darstellung eine Abkühlkurve eines Elektrolysemoduls im Stillstandbetrieb der Elektrolyseanlage .
Gleiche Bezugs zeichen haben in den Figuren die gleiche Bedeutung .
Die FIG 1 zeigt in einer schematischen bzw . funktionalen Darstellung eine Elektrolyseanlage 1 für die elektrochemische Zerlegung von Wasser in die Produktgase Wasserstof f und Sauerstof f . Es handelt sich bei der Elektrolyseanlage 1 beispielhaft um eine PEM-Elektrolyseanlage basierend auf einer Proton-Exchange-Membrane . In der FIG 1 sind die typischen und wesentlichen Anlagenkomponenten einer Wasserstof f erzeugungs- anlage basierend auf einer PEM-Elektrolyse gezeigt . Neben der Elektrolyseeinheit 21 als Hauptkomponente für den eigentlichen Elektrolyseprozess , sind für den Betrieb der Elektrolyseanlage 1 Hil fssysteme wie eine Wasseraufbereitungseinheit 27 , eine Gasreinigungseinheit 29 und eine Kühleinrichtung 31 vorgesehen . Über die Wasseraufbereitungseinheit 27 ist gereinigtes und vollentsal ztes Wasser als Edukt über eine Zufuhrleitung 35 der Elektrolyseeinheit 21 zuführbar und bedarfsweise j e nach Prozess führung und Wasserbedarf hinzu dosierbar . Aus dem Elektrolyseprozess gewonnenes Produktgas , beispielsweise Wasserstof f , ist über eine Produktgas-Leitung 33 einer nachgeschalteten Gasreinigungseinheit 29 zuführbar . Die Gasreinigungseinheit 29 kann mehrere - nicht näher gezeigte - Reinigungsstufen aufweisen, so dass ein von Fremdgasbestandteilen wie etwa Sauerstof f und weiteren Verunreinigungen befreiter hochreiner Wasserstof f als Produktgas gewonnen ist . Eine auf katalytischer Rekombination basierende Gasreinigung ist in der Gasreinigungseinheit 29 typischerweise vorhanden, da ein katalytisches Reinigungsprinzip eine besonders hohe Reinigungsef fi zienz und Spezi fi zität insbesondere gegenüber Sauerstof f als Fremdgasbestandteil im Wasserstof f-Produktgas aufweist . In einer der Gasreinigungseinheit 29 nachgeschalteten - in der FIG 1 nicht gezeigten - Verdichtungseinheit kann das Wasserstof f-Produktgas verdichtet und anschließend gespeichert oder weiter transportiert werden .
In der Elektrolyseeinheit 21 findet im Betrieb der eigentliche Stof fumwandlungsprozess statt . Die Elektrolyseeinheit 21 weist ein Elektrolysemodul 3 , eine Stromversorgungseinheit 23 und eine Prozesstechnikeinheit 5 auf . Ein Elektrolysemodul 3 weist dabei mehrere Elektrolysezellen auf . Mehrere Elektrolysemodule 3 können zu einem Modulverbund oder „Elektrolysestack" oder dem eigentlichen Elektrolyseur als den Reaktor für die elektrochemische Zerlegung von Wasser elektrisch hin- tereinandergeschaltet sein . Bei einem Elektrolyseur sind typischerweise die einzelnen Elektrolysezellen zu einem Elektrolysemodul 3 umfassend eine Viel zahl von Einzel zellen in einer axialen Richtung gestapelt und zu einem Modul oder Elektrolysemodul 3 verbaut . Ein Elektrolyseur weist dabei üblicherweise eine Mehrzahl von Elektrolysemodulen 3 auf , die insgesamt einen sogenannten Elektrolysestack oder einfach „Stack" bilden . So können beispielsweise 50 Elektrolysezellen axial zu einem Modul gestapelt sein und wiederum beispiels- weise 5 Elektrolysemodule 3 zu einem Stack in axialer Richtung gestapelt sein, so dass ein solcher Elektrolysestack mithin beispielsweise 250 Zellen in einem axialen Gesamtverbund umfassen kann .
Sobald bei einem PEM-Elektrolyseur die Elektrolysemodule 3 , respektive die Elektrolysezellen oder der Elektrolysestack z . B . nach der Fertigung erstmalig mit Wasser gefüllt wurden, muss sichergestellt werden, dass stets Wasser (Eduktwasser ) bzw . im Betrieb des Elektrolyseurs ein Wasser-Gas-Gemisch in den Modulen verbleiben . So muss etwa ein Trockenlaufen oder Austrocknen in j eder Betriebsphase verhindert werden, da dieses zu einer irreversiblen Schädigung des Elektrolyseurs führen würde . Vor allem die Membran muss stets in einem feuchten Milieu gehalten werden, aber auch andere Funktionsteile und Komponenten wie etwa der Katalysator oder die Elektroden dürfen nicht austrocknen . Darüber hinaus besteht auch die Gefahr von Frostschäden durch Gefrieren des Prozesswassers und irreversiblen Schäden an den Zellen, insbesondere an der Membran, im Falle einer längeren Unterbrechung oder eines Aus falls der Stromversorgung für den Elektrolysestrom über die Stromversorgungseinheit 23 . In entlegenen Aufstellungsorten der Elektrolyseanlage 1 oder bei einem netzunabhängigen Inselnetzbetrieb bei Ankopplung an eine Windenergieanlage ist ein längerer Stromaus fall bei einer Dunkel flaute zu befürchten, v . a . in den kalten Wintermonaten .
Um der Einfriergefahr und irreversiblen Schädigungen der Zellen und der Membran zu begegnen und einen längeren Stillstandbetrieb der Elektrolyseanlage 1 auf recht zuerhalten, ist die Prozesstechnikeinheit 5 mit einer thermisch-isolierenden Isolationseinrichtung 11 ausgestattet . Die I solationseinrichtung 11 weist einen thermischen I solierwerkstof f 17 mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit auf , beispielsweise maximal 0 , 04 W/m - K, so dass eine gute I solationswirkung bewirkt und im Stillstand ein Auskühlen verlangsamt ist . Die Prozesstechni- keinheit 5 weist eine Edukt-Leitung 7 und eine Produkt- Leitung 9 auf , die j eweils an das Elektrolysemodul 3 ange- schlossen und dabei - neben anderen Komponenten der Prozesstechnikeinheit 5 - von der I solationseinrichtung 11 besonders vor Frost geschützt sind . Hierzu ist der I solationswerkstof f 17 auf die äußere Oberfläche der Edukt-Leitung 7 und der Produkt-Leitung 9 j eweils aufgebracht , etwa vollumfänglich als schlauchförmige Rohrisolierung . Der I solierwerkstof f 17 weist ein flexibles thermisch-isolierendes Dämmmaterial auf , etwa basierend auf einen Elastomerschaum auf Basis synthetischen Kautschuks .
Durch die mit der thermisch-isolierenden I solationseinrichtung 11 ausgestattete Prozesstechnikeinheit 5 ist die in der Elektrolyseanlage 1 verfügbare Wärmeenergie des Wassers von beispielsweise ca . 60 ° C vorteilhaft weiter im Stillstandbetrieb nutzbar, indem diese Wärme möglichst lange im Prozesswasserkreislauf gehalten wird und das Prozesswasser nicht einer raschen natürlichen Auskühlung überlassen wird . Über die Edukt-Leitung 7 und die Produkt-Leitung 9 ist ein Anschluss an das Elektrolysemodul 3 vorgesehen, so dass das noch warme Prozesswasser aus der Prozesstechnikeinheit 5 in das Elektrolysemodul 3 überführbar und bedarfsweise in einem Kreislauf über eine elektrisch angetriebene und angesteuerte Umwäl zpumpe zirkulierbar ist . Auf diese Weise kann der Abkühlprozess deutlich verlangsamt werden, ohne in nennenswertem Umfang auf elektrische Hil fssysteme wie den Batteriespeicher 19 für eine Temperaturhaltung oberhalb des Gefrierpunkts von Wasser zurückzugrei fen . Aufgrund der Nutzung der Wärmeenergie im System der Prozesstechnikeinheit 5 kann der Batteriespeicher 19 mithin für das Stillstandmanagement der Elektrolyseanlage 1 kleiner dimensioniert werden . Lediglich bedarfsweise wird dieser zusätzlichen Hil fsenergiequelle , insbesondere dem Batteriespeicher 19 , dann elektrische Energie entnommen, die vorteilhaft zum Betrieb der Umwäl zpumpe im Stillstandbetrieb verwendet wird . Notfalls kann auch zusätzlich elektrisch gewonnene Hei zenergie über ein in der FIG 1 nicht näher dargestelltes Hei zelement ( z . B . Widerstandshei zung) im Prozesswasserkreislauf zur Verfügung gestellt werden, um das Prozesswasser zu erwärmen bzw . die Temperaturhaltung auf einer Min- desttemperatur für einen sicheren Gefrierschutz der Elektrolysemodule 3 zu gewährleisten .
Insbesondere z . B . elektrische Verbraucher der Prozesstechni- keinheit 5 , wie beispielsweise Pumpen, Antriebe oder Stellelemente , die im Betrieb Wärme erzeugen, ebenso wie Armaturen und Flansche weisen die I solierschicht nicht auf , um im Normalbetrieb einen Wärmesstau und Überhitzung dieser wärmeproduzierenden Komponenten zu vermeiden und eine natürliche Kühlung dieser Komponenten durch Wärmeabgabe sicherzustellen .
Für Armaturen und Flansche ist überdies ein Zugang möglich, wenn auf diese der thermischen I solierwerkstof f 17 nicht aufgebracht ist . Die thermisch-isolierende I solationseinrichtung 11 umfasst daher vorzugsweise nicht diese Komponenten, um im Betrieb eine Überhitzung zu vermeiden .
In FIG 2 ist in vereinfachter Darstellung ein Ausschnitt aus einer Elektrolyseanlage 1 mit Prozesstechnikeinheit 5 und einem Kreislauf auf der Sauerstof f seite gezeigt . Die Elektrolyseanlage 1 ist für die Elektrolyse von Wasser ausgestaltet , so dass im Betrieb Wasserstof f und Sauerstof f als Produktgase erzeugbar sind . Die hier gezeigte Elektrolyseanlage 1 weist exemplarisch nur einen Kreislauf auf der Sauerstof f seite auf . Es ist aber möglich, dass die Prozesstechnikeinheit 5 für einen entsprechenden zweiten Kreislauf auf der Wasserstof f seite in weitgehend analoger Weise konzipiert ist . FIG 1 ist daher ein einfaches Aus führungsbeispiel für eine Elektrolyseanlage 1 , um das Wärmehaltungskonzept der Erfindung und die Wärmenutzung in einem Stillstandbetrieb prinzipiell zu illustrieren . Die Elektrolyseanlage 1 weist einen Elektrolyseur 45 und Elektrolysezellenstapel 37 mit einer Viel zahl von nicht näher dargestellten und in axialer Richtung gestapelten Elektrolysezellen auf . Dabei ist eine anodische Halbzelle und die ka- thodische Halbzelle einer Elektrolysezelle von einer nicht näher dargestellten Membran getrennt . Das Membranmaterial weist PFSA - „Perfluorosul fonic acid" auf , so dass der Elektrolyseur 45 als PEM-Anlage realisiert ist . Mehrere Elektrolysezellen sind zu einem Elektrolysemodul 3 gestapelt und ver- baut . Mehrere Elektrolysemodule 3 sind zu einem Elektrolysestack oder einfach „Stack" zusammengeschaltet , die den eigentlichen Elektrolyseur 45 oder Reaktor für den elektrochemischen Umwandlungsprozess in der Elektrolyseanlage 1 bilden .
Mit diesem einfachen Kreislauf wird der Elektrolysezellstapel 37 mit Wasser für die Elektrolysereaktion versorgt , wobei das Wasser im Betrieb zugleich auch der Kühlung der Zellen dient . Als Produktgas der Elektrolyse wird erzeugter Sauerstof f zusammen mit überschüssigem Wasser in einem Phasengemisch in den Gas-Separator 13 für Sauerstof f geführt . In dem Gas- Separator 13 findet eine Phasentrennung statt und der gas förmige Sauerstof f wird vom flüssigen Wasser abgetrennt und über die Produktgas-Leitung 33 für den Sauerstof f dem Kreislauf entzogen . Um den Wasser-Umlauf im Kreislauf auf recht zuerhalten, ist im Kreislauf die Umwäl zpumpe 39 vorgesehen, die notfalls - bei einer Unterbrechung der Stromversorgung - mit Hil fe der Batterie 19 in einem Stillstandbetrieb angetrieben werden kann . Verbrauchtes Wasser wird im Betrieb ausgeglichen, indem über die Zufuhr-Leitung 35 vollentsal ztes Wasser (VE-Wasser ) über ein Magnetventil 47b nachgeführt wird . Obwohl es sich um vollentsal ztes Wasser handelt , könnten sich etwaige geringfügige Verunreinigungen im Kreislauf anreichern . Um diesem Ef fekt zu begegnen, kann bedarfsweise ein weiteres Magnetventil 47a vorübergehend geöf fnet und über die Abflussleitung 41 ein Teil des Wassers aus dem Kreislauf verworfen werden .
Auf der Wasserstof f seite der Elektrolyseanlage 1 befindet sich im Aus führungsbeispiel von FIG 1 kein Kreislauf . Der produzierte Wasserstof f wird lediglich über die Produktleitung 9 für das Produktgas abgeführt und steht der weiteren Verwendung zur Verfügung, beispielsweise für eine nachfolgende Verdichtung . Üblicherweise ist in der Produktgas-Leitung 9 für das Produktgas Wasserstof f ein Druckhalteventil angeordnet , das in dem Aus führungsbeispiel allerdings nicht näher gezeigt ist . Dieses dient dazu, den Wasserstof f bei einem gewissen Überdruck abzuführen, was in den meisten Anwendungs- fällen für die Weiterverarbeitung des Wasserstof fs sehr wünschenswert ist . Da bei der PEM-Elektrolyse auf der Wasserstof fseite in der Regel flüssiges Wasser anfällt , ist weiterhin eine Kondensatleitung 43 vorgesehen, die bei einer gewissen angefallenen Menge Wasser öf fnet , um dieses Wasser abzuleiten . Dies kann beispielsweise mit einem Schwimmer realisiert sein . In FIG 1 ist angedeutet , dass dieses Wasser verworfen wird . Es ist aber auch möglich, dass dieses Wasser ebenso weiter für die Elektrolyse genutzt wird, indem es in den Kreislauf auf der Sauerstof f seite zurückgeführt wird . Diese Rückführung in den Prozess ist bei großen Elektrolyseanlagen 1 in der Regel ein wirtschaftlich verfolgter Ansatz .
Weiterhin sind in der Elektrolyseanlage 1 ein Sensor 49a und ein Sensor 49b eingebracht , der zur in-situ Überwachung der Qualität des Prozesswassers im System dient . Die Sensoren 49a, 49b können j eweils als Leitfähigkeitssensor zur Messung der spezi fischen Leitfähigkeit als Qualitätsindikator ausgestaltet und eingebracht sein . Diese Leitfähigkeitssensoren 5a, 5b können herangezogen werden, um beispielsweise über eine bestimmte Korrelation auf die Fluoridkonzentrationen im Wasser zu schließen . Hierbei ist es besonders vorteilhaft , die Leitfähigkeitssensoren 5a, 5b an Stellen einzubringen, an denen der Druck im System möglichst hoch ist , da hier ein Entgasen von gelöstem Wasserstof f oder Sauerstof f besonders gering oder unwahrscheinlich ist . Gasblasen würden die präzise Messung der Leitfähigkeit stören und das Ergebnis verfälschen . Daher sind die Leitfähigkeitssensoren an einem geodätisch tiefen Punkt der Elektrolyseanlage 1 positioniert , um hydrostatische Druckvorteile aus zunutzen und dadurch dem Entgasen ef fektiv entgegenzuwirken .
Die Prozesstechnikeinheit 5 ist mit einer thermischen I solationseinrichtung 11 versehen, die einen thermischen I solierwerkstof f 17 aufweist , der auf Oberflächen von Komponenten der Prozesstechnikeinheit 5 aufgebracht ist . Der I solierwerkstof f 17 weist ein Material mit möglichst geringer Wärmeleitfähigkeit von maximal 0 , 04 W/m - K auf , beispielsweise kann ein Material unter dem Handelsnamen Armaflex oder Armaflex Ultima bei der Auslegung und Ausgestaltung der thermischen I solationseinrichtung 11 Verwendung finden . Ein Elastomerschaum auf Basis synthetischen Kautschuks ist hierfür besonders geeignet , um auch eine mechanische Flexibilität beim Verbauen und wärmedichten Anbringen des I solierwerkstof fs 17 auf die Oberfläche von ausgewählten Anlagenkomponenten und Bauteile in der Prozesstechnikeinheit 5 zu ermöglichen . Zur thermischen Isolierung der Prozesstechnikeinheit 5 sind zumindest die im Betrieb Prozesswärme führenden oder beinhaltenden Komponenten mit dem I solierwerkstof f thermisch isoliert . So ist der Gas- Separator 13 möglichst vollumfänglich mit dem I solierwerkstof f 17 ummantelt sowie die Edukt-Leitung 7 und die Produkt- Leitung 9 mit entsprechenden rohrförmigen I solationsschläuchen, die den I solierwerkstof f in einer entsprechenden Wandstärke aufweisen . Auch sind die etwa in der Prozesstechni- keinheit 5 vorhandenen Wärmetaucher 15 in der j eweiligen Produktgas-Leitung 33 thermisch isoliert und mit dem I solierwerkstof f 17 eng ummantelt . Die Wärmetauscher 15 sorgen im Betrieb für ein Abkühlen des gewonnenen Produktgases - Wasserstof f bzw . Sauerstof f - , so dass sich das Wärmetauschermedium, also das Wasser durch Wärmeaufnahme entsprechend auf eine höhere Temperatur erwärmt . Dieser Wärmeinhalt ist bei einem Stillstandbetrieb der Elektrolyseanlage 1 zusätzlich nutzbar, um ein Abkühlen des Elektrolysemoduls 3 zu verzögern und ein Gefrieren von Prozesswasser in dem Elektrolysemodul 3 sicher zu verhindern .
Besonders in einem Inselnetzbetrieb ist das Wärmehaltungskonzept sehr wirtschaftlich und über mehrere Tage zuverlässig für einen Frostschutz der Elektrolyseanlage 1 . Der elektrische Anschluss der Elektrolyseanlage 1 und die Einspeisung von elektrischer Leistung und Versorgung der Stromversorgungseinheit 23 - entsprechend den Aus führungen in FIG 1 - erfolgt dann beispielsweise über eine Of f-Shore- Windenergieanlage in einem Inselnetzverbund, und zwar autark von einem Netzanschluss . Dabei wird der Elektrolysestrom aus der Windenergieanlage der Elektrolyseanlage 1 zugeführt und nach entsprechender Gleichrichtung einem Elektrolysemodul 3 über die Anschlussleitung 25 ( siehe FIG 1 ) zugeführt . Als Hil fsenergiequelle wird ein Batteriespeicher 19 eingesetzt , mittels dessen bedarfsweise zusätzliche Wärme in einem Stillstandbetrieb erzeugt wird, so dass eine Mindesttemperatur des Prozesswassers stets aufrechterhalten wird . Allerdings sind durch das Wärmemanagementkonzept vorliegend die Hil fs- und Speichersysteme deutlich kleiner dimensionierbar und damit kostengünstiger .
Die Batterie 19 kann in der Regel für eine Notversorgung (UPS ) eingesetzt werden, um etwa einen kurz zeitigen Stromausfall zu überbrücken . Im Inselnetzbetrieb braucht man die Batterie 19 zudem bedarfsweise , um ggf . im Notfall ein Einfrieren zu verhindern, allerdings mit einer deutlich geringeren Batteriekapazität für einen notfalls noch vorzuhaltenden Hei zbedarf . Die Temperaturhaltung über dem Gefrierpunkt und damit ein sicherer Frostschutz im Stillstandbetrieb erfolgt primär über die Nutzung der intrinsischen Wärmeenergie im Prozesswasser .
Auch im Sommer kann die Batterie 19 bedarfsweise und vorteilhaft zur Kühlung genutzt werden . Im Hochsommer und bei 60 ° C typischer Prozesswassertemperatur im Wasserkreislauf kann hierdurch auch ein Uberhit zungsschut z im Zusammenspiel mit der I solationseinrichtung 11 realisiert werden, indem etwa Uberschusswärme beispielsweise über die Kühleinrichtung 31 abgeführt wird ( siehe FIG 1 ) . Prinzipiell kommt dabei auch eine Containerlösung als mögliche Ausgestaltung der thermisch-isolierenden I solationseinrichtung 11 in Betracht , mit einem thermisch isolierten „Container" mit bedarfsweiser Kühlung, damit die Prozesstechnikeinheit 5 und/oder die Elektrolyseeinheit 21 im Sommer nicht überhitzen, wenn diese innerhalb eines I solationsgefäßes wie einem Container aufgestellt sind . Durch die I solationswirkung einer als Container ausgestalteten I solationseinrichtung 11 wäre auch im Sommer die benötigte Kühlleistung reduziert . In FIG 3 ist in qualitativer Darstellung in einem Diagramm eine Abkühlkurve eines Elektrolysemoduls 3 im Stillstandbetrieb der Elektrolyseanlage 1 gezeigt . Die Elektrolyseanlage 1 wird von einer Of f shore-Windenergieanlage mit Strom versorgt , und zwar in einem autarken Inselnetzbetrieb, etwa auf einer Of f shore-Plattform auf hoher See . Zum Zeitpunkt t = 0 setzt für eine längere Zeit eine Dunkel flaute in den Wintermonaten ein, so dass die Stromversorgung für die Elektrolyse entsprechend lange unterbrochen ist und akute Frostgefahr besteht . Auf der x-Achse des Diagramms nach FIG 3 ist die Zeit t aufgetragen und auf der y-Achse die Temperatur T des Wassers in einem Elektrolysemodul 3 im zeitlichen Verlauf . Beim Beginn t = 0 des Stillstandbetriebs beträgt die Temperatur im Prozesswasser beispielsweise TA = 60 ° C .
In einer herkömmlich konzipierten Elektrolyseanlage 1 geht der Abkühlprozess gemäß dem zeitlichen Temperaturverlauf TG ( t ) in kurzer Zeit vonstatten und trotz Hil fssystemen über eine Zusatzhei zung durch Strom aus der Batterie 19 ist nur maximal für wenige Stunden ein Einfrieren bei der Gefriertemperatur TG = 0 ° C und damit eine irreversible Schädigung der Elektrolysezellen 37 eines Moduls 3 zu vermeiden . Bei längeren Dunkel flauten setzt daher aufgrund begrenzter Batteriekapazität bei Frostbedingungen im Stillstandbetrieb trotz der Zusatzhei zung über Hil fssysteme ein Gefrieren des Wassers schon nach einer vergleichsweisen kurzen Zeit tG ein .
Demgegenüber zeigt der zeitliche Temperaturverlauf T2 ( t ) die Vorteile , die sich aus dem Wärmespeicherungs- und Wärmenutzungskonzept der Erfindung ergeben : Durch die mit der thermisch-isolierenden I solationseinrichtung 11 ausgestattete Prozesstechnikeinheit 5 ist die in der Elektrolyseanlage 1 bereits aus dem Betrieb heraus verfügbare Wärmeenergie vorteilhaft auch in einem Stillstandbetrieb weiter nutzbar, indem sie möglichst lange im Prozesswasserkreislauf gehalten wird und das Prozesswasser nicht wie bisher einer raschen natürlichen Auskühlung überlassen wird . Durch den thermischen Isolierwerkstof f 17 der I solationseinrichtung 11 ist für eine wirksame passive Dämmmaßnahme gesorgt , um die verfügbare Wärmeenergie möglichst lange im System zu halten und zu nutzen . Dadurch wird in einem Stillstandbetrieb ein deutlich verlangsamtes Auskühlen des Prozesswassers erzielt und ein Gefrierschaden in einem Elektrolysemodul 3 sicher und auch für längere Zeit vermieden . Der zeitliche Temperaturverlauf T2 ( t ) kann hierdurch praktisch asymptotisch um einen Wert AT oberhalb der Gefriertemperatur TG = 0 ° C von Wasser zuverlässig gehalten werden - nur hil fsweise kann über die Batterie 19 bei Zusatzbedarf Zusatzwärme eingekoppelt werden, z . B . über eine Widerstandshei zung . Grundsätzlich steht hierfür das wärmetragende Prozesswasser bei ca . 60 ° C über die Edukt-Leitung 7 als Hinleitung und die Produkt-Leitung 9 als Rückleitung sowie in den weiteren Behältern der Prozesstechnikeinheit 5 als Wärmereservoir und Wärmemedium anfangs , d . h . bei t = 0 zur Verfügung . Durch die gezielte thermische I solation der Prozesstechnikeinheit 5 mit einem I solierwerkstof f 17 kann der Abkühlprozess daher gerade bei Frostbedingungen gegenüber den bekannten Maßnahmen erheblich verlangsamt werden, und zwar auf mindestens mehrere Tage und vorteilhaft sogar darüber hinaus . Somit sind auch längere Dunkel flauten in einem Of f shore- Inselbetrieb überbrückbar, ohne dass ein Frostschaden zu befürchten ist . Eine Batterie 19 oder ein anderweitiges Speichersystem kann weiter bei der Elektrolyseanlage 1 bereitgestellt sein . Dieses kann allerdings aufgrund der intrinsischen Temperaturhaltung durch die thermischisolierende I solationseinrichtung 11 der Prozesstechnikein- heit 5 deutlich kleiner dimensioniert werden und steht bedarfsweise auch für andere Zwecke als zu Hei z zwecken zur Verfügung, wie etwa zum Betreiben einer vorzugsweise vorhandenen Umwäl z- oder Zirkulationspumpe 39 für das Prozesswasser als Wärmemedium in der Edukt-Leitung 7 bzw . der Produkt-Leitung 9. Somit kann eine Temperaturhaltung über mehrere Tage durch einen Zirkulationsprozess ermöglicht , aufrechterhalten und ein Abkühlen verlangsamt werden, wobei ein Gefrieren sicher verhindert ist . Dabei ist auch eine Teil zirkulation besonders vorteilhaft , etwa über ein steuerbares Dosierventil , so dass j eweils nur ein Teilstrom aus dem Wärmereservoir des Prozess- wassers innerhalb der thermisch isolierten Prozesstechnikein- heit 5 in einem geschlossenen Kreislauf zirkuliert , wobei Wärme über das Prozesswasser als Wärmeträger in gezielter Weise in das Elektrolysemodul 3 übertragen wird . Das Wasser bleibt daher flüssig und die empfindliche Membran bleibt mit Wasser getränkt bzw . ist feucht gehalten . Sobald die Dunkelflaute nach einer Zeitdauer endet und die Stromversorgung wieder aufgenommen werden kann, wird ab einem Zeitpunkt ts der Stillstandbetrieb beendet und die Elektrolyseanlage 1 wieder angefahren und in einen Normalbetrieb versetzt , so dass der zeitliche Temperaturverlauf T3 ( t ) des Prozesswassers eine ansteigende Kurve zeigt , bis eine normale Betriebstemperatur bei ca . TA = 60 ° C wieder erreicht ist .

Claims

Patentansprüche
1. Elektrolyseanlage (1) zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff als Produktgase, mit einem Elektrolysemodul (3) und mit einer Prozesstechnikeinheit (5) , wobei die Prozesstechnikeinheit (5) eine Edukt-Leitung (7) zur Prozesswasserzufuhr und eine Produkt-Leitung (9) aufweist, die jeweils an das Elektrolysemodul (3) angeschlossen sind, wobei die Prozesstechnikeinheit (5) mit einer thermisch-isolierenden Isolationseinrichtung (11) umfassend einen thermischen Isolierwerkstoff (17) derart ausgestattet ist, dass in einem Stillstandbetrieb ein verlangsamtes Auskühlen des Prozesswassers bewirkt ist.
2. Elektrolyseanlage (1) nach Anspruch 1, bei der die Prozesstechnikeinheit (5) einen Gas-Separator (13) aufweist, der den thermischen Isolierwerkstoff aufweist.
3. Elektrolyseanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Edukt-Leitung (7) und die Produkt- Leitung (9) von dem Isolierwerkstoff (17) ummantelt sind.
4. Elektrolyseanlage () nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Prozesstechnikeinheit (5) einen Wärmetauscher (15) aufweist, auf den der thermische Isolierwerkstoff (17) aufgebracht ist.
5. Elektrolyseanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche bei der thermische Isolierwerkstoff (17) eine Wärmeleitfähigkeit von kleiner als 0,07 W/m-K, insbesondere kleiner als 0,04 W/m-K aufweist.
6. Elektrolyseanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Isolationseinrichtung (11) einen Isolierwerkstoff (17) aus einem flexiblen thermisch-isolierenden Dämmmaterial aufweist.
7. Elektrolyseanlage (1) nach Anspruch 6, bei der der Isolierwerkstoff (17) einen Elastomerschaum auf Basis synthetischen Kautschuks aufweist.
8. Elektrolyseanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die thermisch-isolierende Isolationseinrichtung (11) wahlweise als Schlauch, selbstklebender Schlauch, Platte, selbstklebende Platte, Band oder Rohrträger, oder Kombinationen davon ausgeführt ist.
9. Verwendung einer Elektrolyseanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche an einem elektrischen Anschluss mit einer Of f shore-Windenergieanlage zur Stromversorgung, insbesondere in einem Inselnetzbetrieb, wobei der Elektrolysestrom aus der Windenergieanlage bezogen und der Elektrolyseanlage (1) zugeführt wird.
10. Verwendung nach Anspruch 8, bei der als Hilfsenergiequelle ein Batteriespeicher (19) eingesetzt wird, mittels dessen bedarfsweise zusätzliche Wärme in einem Stillstandbetrieb erzeugt wird, so dass eine Mindesttemperatur des Prozesswassers aufrechterhalten wird.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6797421B2 (en) * 2002-01-11 2004-09-28 Utc Fuel Cells, Llc Method and apparatus for preventing water in fuel cell power plants from freezing during storage
CA2891435A1 (en) * 2014-06-11 2015-12-11 Kevin Lee Friesth Quintuple-effect generation multi-cycle hybrid renewable energy system with integrated energy provisioning, storage facilities and amalgamated control system
EP3699991B1 (de) * 2019-02-25 2021-04-14 ETH Zurich Systeme und reaktoren zur speicherung von elektrischer energie
EP4006207A1 (de) 2020-11-25 2022-06-01 Siemens Energy Global GmbH & Co. KG Verfahren zum betreiben einer elektrolysevorrichtung und elektrolysevorrichtung
CN216039841U (zh) * 2021-08-31 2022-03-15 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 一种带储热的电解制氢系统

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