EP4643012A1 - Energieversorgungssystem zur kopplung an eine im inselbetrieb eingesetzte windkraftanlage sowie verfahren zur versorgung der windkraftanlage mit solarenergie - Google Patents

Energieversorgungssystem zur kopplung an eine im inselbetrieb eingesetzte windkraftanlage sowie verfahren zur versorgung der windkraftanlage mit solarenergie

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Publication number
EP4643012A1
EP4643012A1 EP24733596.1A EP24733596A EP4643012A1 EP 4643012 A1 EP4643012 A1 EP 4643012A1 EP 24733596 A EP24733596 A EP 24733596A EP 4643012 A1 EP4643012 A1 EP 4643012A1
Authority
EP
European Patent Office
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energy
electrolysis
wind turbine
wind
photovoltaic module
Prior art date
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Pending
Application number
EP24733596.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ralf Krause
Yashar Musayev
Helmut Eckert
Andreas BARTMANN
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 EP4643012A1 publication Critical patent/EP4643012A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D9/00—Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
    • F03D9/007—Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations the wind motor being combined with means for converting solar radiation into useful energy
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D9/00—Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
    • F03D9/10—Combinations of wind motors with apparatus storing energy
    • F03D9/19—Combinations of wind motors with apparatus storing energy storing chemical energy, e.g. using electrolysis
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2220/00—Application
    • F05B2220/61—Application for hydrogen and/or oxygen production
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
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    • F05B2220/00—Application
    • F05B2220/70—Application in combination with
    • F05B2220/708—Photoelectric means, i.e. photovoltaic or solar 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 present invention relates to an energy supply system for coupling to a wind turbine used in island operation, i.e. without grid connection, whereby the wind turbine supplies in particular an electrolysis plant for producing green hydrogen with wind energy. Furthermore, a corresponding method for supplying the wind turbine with solar energy is specified.
  • renewable energy sources such as wind and solar energy in order to reduce (global) carbon dioxide emissions.
  • renewable electricity should also be able to serve as a raw material for the production of basic chemicals or fuels such as hydrogen.
  • electrolysis units are ideally placed near the renewable energy sources in order to reduce or avoid transformation and/or line losses.
  • electrolysis systems are being developed which are installed directly on a platform at an offshore wind turbine. With such a coupling, regardless of whether it is "onshore” or “offshore”, the system can also be operated without being connected to the power grid. Without being connected to the grid, however, there is no electricity available from the wind generator or the power grid during a calm or lull in the wind.
  • PEM electrolysis PEM for "polymer electrolyte membrane” or “proton exchange membrane”
  • H 2 element hydrogen
  • Hydrogen can be used here, among other things, as an energy store, for example by being used as a fuel to stabilize the electrical energy supply, particularly from renewable sources such as wind power, photovoltaics or the like. But hydrogen can also be used for other processes that require a fuel or a reducing agent. The hydrogen produced during electrolysis can therefore be used industrially, for example, or electrical energy can be produced again electrochemically using fuel cells.
  • the separation of water into its chemical components hydrogen and oxygen (0 2 ) can therefore be carried out using suitable electrolysis cells.
  • a particularly important form is the PEM electrolysis described, which is particularly advantageous compared to alkaline electrolysis approaches. - due to less complex peripherals, it is very load-dynamic and better suited to the coupling of fluctuating current levels. In particular, high current densities and powers can be achieved using PEM electrolysis even at higher load gradients, whereby the high quality or purity of the hydrogen product is advantageously maintained, for example, even in partial or overload operation.
  • Hydrogen is already used in countless applications in industry and technology.
  • the potential to produce H2 in large quantities in a climate-neutral manner and/or to store or transport it "carbon-free" using hydrogen carriers such as ammonia, for example, will continue to show the transport, chemical or steel industries, for example, completely new ways of supplying entire sectors with green energy or operating them in a climate-friendly manner.
  • hydrogen as a fuel or additive for conventional fuels is already, and will also be, extremely interesting in the future because of its potential to cause no or fewer emissions.
  • a PEM electrolysis cell is provided with a membrane that has a catalyst layer on opposite surfaces.
  • the catalyst layers are usually bordered by gas diffusion layers, which in turn are bordered by electrically conductive contact plates, sometimes also called bipolar plates, which serve, among other things, for electrical contact.
  • Hydrogen is produced electrolytically from water as a reactant. This is an electrochemical process in which water is separated into its chemical components, oxygen and hydrogen.
  • the electrochemical cell reactions can be described and differentiated as follows:
  • the two partial reactions are spatially separated by an ion-conductive membrane, which must be suitably equipped with electrodes, in particular a cathodic catalyst and an anodic catalyst.
  • electrodes in particular a cathodic catalyst and an anodic catalyst.
  • significant cost reductions can be achieved by improving the manufacturing processes, among other things.
  • PEM hydrogen electrolyzers Since the production of PEM hydrogen electrolyzers (PEMWE) must increase significantly in terms of throughput and scale to achieve agreed climate targets, there is a compelling need for techniques that enable improving the throughput and manufacturing capacity of so-called corresponding catalyst-coated membranes or membrane electrode assemblies.
  • PEM water electrolyzers In order to protect the electrolysis units from environmental influences, they require an enclosure such as a container. PEM water electrolyzers must also be operated with demineralized, particularly high-purity, water. The temperature inside the container must therefore not fall below a temperature of around 5 °C. Otherwise, the water-carrying components that contain water can freeze and bring the entire system to a standstill. This would run counter to the purpose of operating (offshore) wind turbines without grid connection with as little maintenance and as self-sufficient a system as possible.
  • outside temperature outside the enclosure is lower than 5 ° C, heat is transported to the outside. At the minimum design temperature outside of minus 20 ° C, around 1 to 2 kW of heat is dissipated per hour. The heat loss depends, among other things, on the insulation of the container. This heat must be fed back into the container in order to keep the 5 °C fairly constant.
  • One aspect of the present invention relates to an energy supply system for coupling to a wind turbine used in island operation, i.e. without grid connection, for example as a decentralized energy plant.
  • the wind turbine is set up to operate an electrolysis plant or an electrolyzer for the production of green hydrogen using wind energy.
  • the electrolysis plant is preferably a PEM water electrolysis plant.
  • alkaline electrolysis can be used to produce hydrogen.
  • the energy supply system has a solar energy source comprising (at least) one solar thermal collector and/or (at least) one photovoltaic module.
  • the solar energy or solar energy source is further configured to supply the electrolysis system, in particular a housing or enclosure thereof and its water-carrying lines, with thermal energy (auxiliary energy) in the event of a lack of wind energy, i.e. preferably when no wind energy can be tapped when there is no wind, or in the event of a defect in the system. This is particularly necessary to ensure that the system can operate over the aforementioned (temporary) "obstacle".
  • a design of the solar energy system as a solar thermal collector can, like a photovoltaic module, provide thermal energy for grid-independent electrolysis operation indirectly via an electric heater, for example.
  • Photovoltaics in particular offers the advantage of being able to operate an electrical system control system for both the wind turbine and the electrolysis system when there is no wind.
  • An existing battery as an electrical buffer can therefore be made much smaller. This means that less space is required, less weight on the platform and much lower costs.
  • the present inventive concept in particular to provide another renewable energy source, does not seem intuitive with regard to the application of wind turbines, where the wind turbine itself offers hardly any usable area, whereas the generation of solar energy offers a lot.
  • the photovoltaic module is (additionally or alternatively) configured to supply a control system and/or a water treatment system of the electrolysis plant with electrical energy.
  • the energy supply system comprises (several) photovoltaic modules with a module area of at least 50 m2 per electrolysis unit.
  • An electrolysis unit can preferably be provided with an enclosure of a maximum size of an ISO container.
  • at least 50 m2 of photovoltaic module area per electrolysis module would have to be installed, in particular on the container.
  • This embodiment is particularly advantageous and balanced with regard to the solar-active area available on the respective container or the platform of the wind turbine and also the Demand for solar energy for the grid-independent, temporary operation of the wind turbine or the electrolyzer when there is no wind.
  • the photovoltaic module is designed to be mounted on the roof of an electrolysis unit or a container that forms the housing of the unit (space-optimized).
  • the at least one solar thermal collector is preferably designed to be installed on the tower of the wind turbine during operation.
  • this embodiment actually offers the synergy of advantageously functionalizing the otherwise unused area of the wind turbine tower for energy supply.
  • the wind turbine is an "offshore” wind turbine and the solar thermal collector or the photovoltaic module is designed to float during operation of the wind turbine (on the sea).
  • the corresponding solar energy sources are of course suitably coupled or can be coupled to the electrolysis plant and electrically connected.
  • the solar thermal collector has a reservoir for a heat transfer medium and is designed in particular as a flat collector or as a vacuum tube collector, wherein a heat-absorbing surface of the solar thermal collector transfers heat to the heat transfer medium during operation of the system (the wind turbine).
  • the required heat can preferably be provided by storing the heat transfer medium in the reservoir. be gradually and needs-based (temporary) or tailored to the heating required for the self-sufficiency of the system.
  • the reservoir is installed under a platform that supports the electrolysis system during operation or in the tower of the wind turbine. This positional relationship allows - as described above - advantageously unused area of the wind turbine to be used appropriately and in accordance with the invention.
  • a further aspect of the present invention relates to a method for supplying a wind turbine used in island operation with solar energy, in particular using the energy supply system described.
  • the supply method can therefore advantageously represent an operating method of the energy supply system.
  • the wind turbine supplies wind energy for operating the electrolysis plant for providing green hydrogen
  • the solar energy source comprising a solar thermal collector and/or a photovoltaic module, is used to supply the electrolysis plant with thermal energy in the event of a lack of wind energy (as described above).
  • the at least one solar thermal collector and/or the at least one photovoltaic module of course, several of the components can also be provided - are used to supply the housing and water-carrying lines of the electrolysis units with thermal energy, in particular to heat them or to keep them at the described operating temperature and thus to protect them from freezing in an emergency.
  • the photovoltaic module is additionally used to supply a control system and/or a water treatment system of the electrolysis plant with electrical energy.
  • the solar thermal collector supplies the electrolysis plant with thermal energy only when no wind energy can be tapped, i.e. wind energy is lacking due to a lack of wind or a plant defect.
  • the solar thermal collector transfers heat from its heat-absorbing surface to the described heat transfer medium during operation of the system, whereby this heat is used to heat the electrolysis units only when required or gradually, for example in phases overnight or when there is no wind.
  • the electrical energy provided by the photovoltaic module is used to operate an air conditioning system for the wind turbine and/or the electrolysis system.
  • air conditioning system is to be understood broadly here and includes, among other things, heating, ventilation and air conditioning technology in general.
  • the electrical energy provided by the photovoltaic module is used to charge a battery storage system (BESS system) or so-called uninterruptible power supply systems of the wind turbine when required.
  • BESS system battery storage system
  • uninterruptible power supply systems of the wind turbine when required.
  • FIG. 1 shows a schematic overview of an offshore wind turbine including an electrolysis plant, which is set up to operate the wind turbine for the production of green hydrogen with wind energy.
  • FIG. 2 shows a schematic side view with details of the energy supply system according to the invention as well as other components of the wind turbine.
  • Figure 3 shows - in a representation analogous to Figure 1 - parts of the energy supply system according to the invention in a perspective view of the platform.
  • Figure 4 shows a schematic simplified view of a floating embodiment of the solar energy source according to the invention.
  • Figure 5 shows an embodiment of the solar energy source according to the invention as a solar thermal collector.
  • Figure 6 shows a diagram of how water electrolysis works.
  • Figure 1 shows a wind turbine 30 in the upper right part.
  • a platform 34 is provided, which is shown in more detail in the remaining illustration.
  • the platform carries in particular containers 12 which contain electrolysis elements, i.e. for example individual electrolyzers or electrolysis systems 11. Parts of these containers 12 can also contain control elements or "balance of plant” elements 14, which for example include all components of the electrolysis units, except for the individual electrolysis cells 11 themselves. Other components or system parts housed in the containers can also relate to holding tanks for the reactant water of the electrolyzers 11, or the like.
  • the wind power plant 30 preferably has no grid connection or grid coupling, but uses the absorbed wind energy to directly operate the described electrolysis plant 11 for the production of preferably green hydrogen. More details on the reactions involved and the functioning of the water electrolysis are described below with reference to Figure 6.
  • the wind power plant 30 is preferably an offshore wind turbine. Deviating from the representations in Figures 1 and 3, the means presented according to the invention for improving the energy supply of the plant can also be easily applied to "onshore" plants.
  • the strategy of providing the electrolysis plant 11 via individual containers 12 advantageously ensures easy maintenance and repair process, and at the same time protects the system components from climatic and weather influences as well as from corrosion and damaging mechanical influences.
  • FIG. 2 shows a simplified alternative (schematic) view of the wind turbine 30 described, which is also equipped with an energy supply system 20 according to the invention (see right in the picture).
  • Rotor blades (not explicitly marked) of the system 30 are indicated in the left-hand area of the illustration and directly next to them is a nacelle 31 or the generator part of the system.
  • the platform 34 on the tower 33 described above is arranged above a base indicated by the reference numeral 32.
  • the sea level is intended to be indicated by the wave contour, the present invention is also applicable to wind turbines installed on land without grid connection.
  • the platform 34 carries in particular the electrolysis system 11, which usually comprises a plurality of "electrolysis stacks". Each of the stacks in turn preferably has a plurality of electrolysis cells 11 (cf. Figure 6 below), which are connected together in a row to form the stacks and connected accordingly.
  • Enclosing the electrolysis plant components in the container 12 is, among other things, important for the required “air conditioning” of the electrolysis plant 11 .
  • This advantage is accompanied by the difficulty of not having grid energy available for auxiliary systems and for heating or maintaining the operating temperature of the wind turbine and electrolysis plant.
  • An area of the container indicated by the reference number 14 stands, for example, for balance-of-plant components and/or a control of the electrolyzers, transformers, rectifiers or also a battery “back-up” or BESS battery system - which is advantageously small-sized thanks to the present invention.
  • the area 13 can designate a water treatment system for the reactant water, in particular comprising a seawater desalination plant (corresponding water-carrying lines are not explicitly shown in the figures here, but expediently extend from a holding tank to each of the electrolysis units shown in order to supply the units accordingly with reactant water).
  • a water treatment system for the reactant water in particular comprising a seawater desalination plant (corresponding water-carrying lines are not explicitly shown in the figures here, but expediently extend from a holding tank to each of the electrolysis units shown in order to supply the units accordingly with reactant water).
  • the system 20 comprises a solar energy source 21, comprising a photovoltaic module 22 and/or a solar thermal collector 23.
  • the solar energy source 21 is further configured to supply the electrolysis system 11, in particular the housing 12 and water-carrying pipes to supply thermal energy in the event of a lack of wind energy.
  • An embodiment of the solar energy source as a photovoltaic module 22 can additionally be used to supply a control system 14 and/or a water treatment system 13 of the electrolysis plant with electrical energy.
  • water treatment / water purification or desalination 13 may require thermal energy, i.e. heat, which can come from the collectors.
  • a design of the solar energy source as a solar thermal collector 23 is preferably used in such a way that the electrolysis system 11 is only supplied with thermal energy when no wind energy can be tapped. This can be the case, for example, in the event of a defect, an emergency stop of the wind generator or simply when there is no wind.
  • the electrical energy provided via the photovoltaic module 22 can also be used to operate an air conditioning system of the wind turbine 30 and/or the electrolysis system 11.
  • the electrical energy provided via the photovoltaic module 22 can alternatively or additionally be used to charge a battery storage unit (not explicitly marked) of the wind turbine 30 (only) when required.
  • the reference numeral 24 indicates, by way of example and schematically, a reservoir for a heat transfer medium.
  • the reservoir 24 can also be part of the energy supply system 20 and is accordingly expediently functionally coupled to the corresponding solar thermal collector.
  • the solar thermal collector 23 can be in an inventive Design of the energy supply process during operation, heat is transferred from a heat-absorbing surface of the same to a heat transfer medium (also not explicitly identified here). This heat can then be used step by step to heat the electrolysis units if required.
  • a heat pump or an electric heating device 25 is also indicated schematically in dashed lines (optional), which can be provided in order to use electrical energy obtained via photovoltaics (PV) for thermal use for heating purposes.
  • PV photovoltaics
  • FIG 3 shows the platform 34 of a wind turbine 30 described here, which is equipped with the energy supply system 20 according to the invention; similar to the representation in Figure 1. It can be seen that each roof of the containers 12 shown is provided with a solar energy source, be it as a photovoltaic module 22 or as a solar thermal collector 23.
  • the energy supply system 20 comprises photovoltaic modules 22 with a module area of at least 50 m 2 per electrolysis unit.
  • the module area mentioned does not have to be present per container, but the available solar-active roof area of those containers can of course also be equipped with photovoltaic modules which only contain "balance of plant” components or auxiliary systems.
  • electrolysis units can be present per platform 34 or plant 10.
  • the increasing electrical output of an electrolysis unit can amount to approximately 4 to 5 MW.
  • a photovoltaic module or a solar thermal collector can be installed on the tower 33 of the wind turbine.
  • Solar energy is used in the wind turbine by using photovoltaic modules or solar thermal collectors to protect the electrolysis system from freezing when there is no wind and the outside temperature is cold.
  • the advantage of this is that when there is no wind, there are often no clouds covering the sky, meaning that direct sunlight can be used during the day.
  • the photovoltaic modules 22 can be placed on the roof of the electrolysis container 12, for example, and provide electrical power whenever there is no wind. This electrical power can be used directly for the measurement technology and control or the HVAC air conditioning system of the electrolysis units when they are not in use. In addition, a back-up battery can also be charged in order to provide electrical power (only) at night, for example.
  • thin-film solar cells such as amorphous (a-Si), microcrystalline (pm-Si) silicon, CIS/CIGS (copper-indium (-gallium-)-(di)selenide, CdTe (cadmium telluride) or organic solar cells can also be used for this purpose. Modules made from these technologies can, for example, be applied to flexible films and thus attached to the round tower of the wind turbine 30.
  • Perovskite solar cells can also be used. These thin-film technologies are able to convert diffuse light very well and thus make the back of the tower (facing away from the sun) usable.
  • the electrical energy of the installed photovoltaic modules does not only have to be used at low temperatures and when there is no wind, but can instead be used to supply the electrolysis unit at all times.
  • solar thermal collectors can also be installed to generate hot water (see above).
  • the heat medium can be temporarily stored in tanks with the collected heat.
  • These tanks can be placed under the platform or in the wind turbine tower, for example. This heat can then be used gradually, for example to bridge the night.
  • Figure 4 also indicates a further design and installation of the photovoltaic modules (or solar thermal collectors) using a schematic view. It can be seen that in offshore platforms - in addition to placing the solar modules on the Electrolysis platform or directly on the wind turbine tower - it is also possible according to the invention to provide solar modules floating on the sea, which are located near the tower 34. In the case of so-called onshore platforms, these could then be installed on land or on the ground instead. The electricity generated there can then be directed to the platform and used for the purposes described.
  • FIG. 5 shows an example of a specific design of a solar thermal collector.
  • both flat plate collectors and vacuum tube collectors are suitable for use as solar thermal collectors.
  • solar radiation heats a heat-absorbing surface, which transfers the heat to the heat transfer medium.
  • the warm water generated in this way can be used to heat the inside of the container and, as described, to protect it from freezing.
  • FIG. 6 shows an electrolysis cell 10, in particular a PEM electrolysis cell for water electrolysis.
  • the core of such a polymer electrolyte membrane electrolysis cell 10 is generally formed by a membrane electrode assembly (MEA), which is indicated in the middle.
  • MEA membrane electrode assembly
  • the MEA has a membrane 3 coated with catalysts.
  • a first catalyst material is identified by the reference symbol 2.
  • a second catalyst material different from the first catalyst material, is shown with the reference symbol 4.
  • the respective cell reaction of the electrolysis takes place in the area of the layer formed by the respective catalyst material.
  • electrons are diverted via the respective catalyst material and a gas diffusion layer to the contact or bipolar plates 5.
  • reactant water H 2 O
  • H 2 O reactant water
  • the membrane 3 or a starting material which is usually to be coated for coating the membrane 1 with the "catalyst” usually contains a perfluorosulfonic acid material (PFSA), polymer or ionomer 2.
  • PFSA perfluorosulfonic acid material

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Abstract

Versorgung der Windkraftanlage mit Solarenergie Es wird ein Energieversorgungssystem (20) zur Kopplung an eine im Inselbetrieb eingesetzte Windkraftanlage (30) angegeben, wobei die Windkraftanlage (30) eingerichtet ist, eine Elektrolyseanlage (11) zur Herstellung von grünem Wasserstoff mit Windenergie zu betreiben, wobei das Energieversorgungssystem (20) eine Solarergiequelle (21), umfassend ein Photovoltaikmodul (22) und/oder einen Solarthermiekollektor (23), aufweist, welche eingerichtet ist, die Elektrolyseanlage (21), insbesondere eine Einhausung (12) und wasserführende Leitungen von Elektrolyseeinheiten der Elektrolyseanlage (11), im Falle des Ausbleibens von Windenergie mit thermischer Energie zu versorgen. Weiterhin wird ein entsprechendes Verfahren zur Versorgung einer im Inselbetrieb eingesetzten Windkraftanlage (30) mit Solarenergie vorgestellt.

Description

Beschreibung
Energieversorgungssystem zur Kopplung an eine im Inselbetrieb eingesetzte Windkraftanlage sowie Verfahren zur Versorgung der Windkraftanlage mit Solarenergie
Die vorliegende Erfindung betri f ft ein Energieversorgungssystem zur Kopplung an eine im Inselbetrieb, d . h . ohne Netzkopplung, eingesetzte Windkraftanlage , wobei die Windkraftanlage insbesondere eine Elektrolyseanlage zur Herstellung von grünem Wasserstof f mit Windenergie versorgt . Weiterhin wird ein entsprechendes Verfahren zur Versorgung der Windkraftanlage mit Solarenergie angegeben .
Zukünftig besteht ein dringender Bedarf , vorrangig erneuerbare Energiequellen wie Wind- und Solarenergie zu verwenden, um den ( globalen) CCp-Ausstoß zu verringern . Neben der direkten Nutzung als elektrischer Strom soll der erneuerbare Strom ebenfalls als Rohstof f für die Erzeugung von chemischen Grundstof fen oder Brennstof fen wie z . B . Wasserstof f dienen können .
Dabei können diese Kombinationen aus Windturbine und Elektrolyseur auch ohne Netzkopplung betrieben werden . Die Elektrolyseeinheiten werden dabei idealerweise in der Nähe der erneuerbaren Energiequellen platziert um Trans formations- oder/und Leitungsverluste zu verringern oder zu vermieden . Es werden zum Beispiel Elektrolyseanlagen entwickelt , welche direkt auf einer Plattform an einer Of fshore- Windkraf tanalage angebracht werden . Bei einer solchen Kopplung, egal ob „onshore" oder „of fshore" kann diese Anlage auch ohne Anschluss an das Stromnetz betrieben werden . Ohne die Netzkopplung steht während einer Windstille oder Flaute hingegen weder Strom durch den Windgenerator noch durch das Stromnetz zur Verfügung . Die sogenannte PEM-Elektrolyse ( PEM für „Polymer-Elektrolyt- Membran" oder „Proton Exchange Membrane" ) gewinnt aufgrund ihres großen Potenzials zur Herstellung von kostengünstigem grünem Wasserstof f zunehmend Potenzial als Energieträger, z . B . für industrielle Anwendungen oder als Speichermedium . Im Zuge des Klimawandels hat sich das Element Wasserstof f (H2 ) und/oder die Möglichkeit der Herstellung von H2 aus erneuerbarer Energie über die PEM- oder Wasser-Elektrolyse für die Energiewirtschaft und benachbarte Sektoren längst als Schlüssel faktor herausgestellt .
Auch wenn der größte Teil des Wasserstof fs heutzutage noch durch Dampf reformierung von Methan hergestellt wird, führen aggressive Investitionen und Fördermaßnahmen absehbar einen Trend hin zur regenerativen Wasserstof f erzeugung herbei .
Ein besonders vielversprechendes Verfahren zum Gewinnen von Wasserstof f (H2 ) ist die Elektrolyse von Wasser, insbesondere unter Nutzung von elektrischer erneuerbarer Energie . Wasserstof f kann hier unter anderem als Energiespeicher dienen, indem er beispielsweise als Brennstof f genutzt wird, um die elektrische Energieversorgung insbesondere aus erneuerbaren Quellen, wie Windkraft , Photovoltaik oder dergleichen zu verstetigen . Aber auch für andere Prozesse , bei denen ein Brennstof f oder ein Reduktionsmittel benötigt wird, kann Wasserstof f eingesetzt werden . Der bei der Elektrolyse gewonnene Wasserstof f kann somit beispielsweise industriell genutzt werden oder es kann unter Nutzung von Brennstof f zellen auf elektrochemische Weise wieder elektrische Energie gewonnen werden .
Das Trennen von Wasser in seine chemischen Bestandteile Wasserstof f und Sauerstof f ( 02 ) kann also mittels geeigneter Elektrolysezellen durchgeführt werden . Eine besonders wichtige Form ist die beschriebene PEM-Elektrolyse , welche sich insbesondere - gegenüber alkalischen Elektrolyseansätzen - durch weniger komplexe Peripherie als sehr lastdynamisch und für die Kopplung von schwankenden Strompegeln als besser geeignet erweist . Insbesondere können über die PEM- Elektrolyse hohe Stromdichten und Leistungen auch bei höheren Lastgradienten erreicht werden, wobei die hohe Güte oder Reinheit des Wasserstof fprodukts beispielsweise auch im Teiloder Überlastbetrieb vorteilhafterweise , erhalten bleibt .
Wasserstof f findet in zahllosen Anwendungen in der Industrie und der Technik bereits Anwendung . Durch das Potenzial , H2 klimaneutral in großen Mengen herstellen zu können und/oder beispielsweise über Wasserstof f träger, wie Ammoniak, „kohlenstof f frei" zu speichern oder zu transportieren, werden beispielsweise dem Verkehr, der Chemie- oder Stahlindustrie weiterhin komplett neue Wege aufgezeigt , ganze Sektoren mit grüner Energie zu versorgen, oder klimafreundlich zu betreiben . Zudem ist Wasserstof f als Brennstof f oder Zusatz für konventionelle Brennstof fe bereits j etzt , aber auch perspektivisch, hochinteressant wegen seines Potenzials , keine oder weniger Emissionen hervorzurufen .
Bei einer PEM-Elektrolysezelle ist eine Membran vorgesehen, die an voneinander abgewandten Oberflächen eine j eweilige Katalysatorschicht aufweist . An die Katalysatorschichten grenzen in der Regel j eweilige Gasdi f fusionsschichten, an die ihrerseits j eweilige elektrisch leitfähige Kontaktplatten angrenzen, gelegentlich auch Bipolarplatten genannt , die unter anderem der elektrischen Kontaktierung dienen .
Das Erzeugen von Wasserstof f erfolgt elektrolytisch aus Wasser als Edukt . Es handelt sich hierbei um einen elektrochemischen Vorgang, bei dem Wasser in seine chemischen Bestandteile , Sauerstof f und Wasserstof f , getrennt wird . Die elektrochemischen Zellreaktionen können wie folgt beschrieben und unterschieden werden :
Bei einer Polymer-Elektrolyt-Membran-Elektrolyse werden die j eweiligen zwei Teilreaktionen räumlich durch eine ionen- leitfähige Membran getrennt , welche zweckmäßigerweise mit Elektroden, insbesondere einem kathodischen Katalysator und einem anodischen Katalysator versehen werden muss . Neben Materialverbesserungen lassen sich durch Verbesserungen der Fertigungsprozesse unter anderem signi fikante Kostensenkungen erreichen .
Da die Produktion von PEM-Wasserstof f elektrolyseuren ( PEMWE ) in puncto Durchsatz und Maßstab ( Skalierung) deutlich zunehmen muss , um vereinbarte Klimaziele zu erreichen, besteht ein zwingender Bedarf an Techniken, die es ermöglichen, den Durchsatz und die Herstellungskapazität von sogenannten entsprechenden katalysatorbeschichteten Membranen oder Membranelektrodenanordnungen zu verbessern .
Um die Elektrolyseeinheiten vor Umwelteinflüssen zu schützen, benötigen sie eine Umhausung wie z . B . einen Container . PEM- Wasserelektrolyseure müssen weiterhin mit demineralisiertem, insbesondere hochreinem, Wasser betrieben werden . Die Innentemperatur des Containers darf daher eine Temperatur von circa 5 ° C üblicherweise nicht unterschreiten . Die wasserführenden Komponenten, welche Wasser beinhalten, können ansonsten einfrieren und den Betrieb der ganzen Anlage lahmlegen . Dies würde dem Zweck des möglichst wartungsarmen und autarken Betriebs von ( Of f shore- ) Windkraftanlagen ohne Netzkopplung zuwiderlaufen .
Bei einer Außentemperatur außerhalb der Einhausung, welche niedriger als 5 ° C ist , wird Wärme nach außen transportiert . Bei der minimalen Auslegungstemperatur im Außenbereich von 20 ° C Minus dissipieren dann etwa 1 bis 2 kW Wärme pro Stunde . Der Wärmeverlust hängt indes unter anderem von der I solation des Containers ab . Diese Wärme muss dem Container wieder zugeführt werden, um die 5 ° C einigermaßen konstant zu halten .
Wenn hingegen bei kalter Witterung kein erneuerbarer Strom zur Verfügung steht ( z . B . weil kein Wind weht ) , muss die Energie anderweitig zur Verfügung gestellt werden, um den Anlagenbetrieb und die stetige Nutzung der erneuerbaren Windenergie zu ermöglichen . Die wasserführenden Leitungen zwischen den Containern beziehungsweise Einhausungen, müssen gleichfalls behei zt werden, damit sie nicht Gefahr laufen, einzufrieren . Auch dafür wird Energie benötigt , welche bei Windstille aus anderen Quellen zur Verfügung gestellt werden muss .
Bereits teilweise bestehende Lösungen umfassen die Vorsehung von Batteriespeichern . Durch den Batteriespeicher steht elektrische Leistung zur Verfügung, um die Hei zung aufrecht zu erhalten . Diese Lösung hat j edoch Nachteile . So ist die Kapazität deutlich eingeschränkt . Realistisch wären für den vorliegenden Einsatz beispielsweise Kapazitäten von etwa 100 bis 150 kWh nötig . Sogenannte (BESS ) Batterie- Energiespeichersysteme haben insbesondere den Nachteil das sie teuer, groß und schwer sind . Daher werden dringend andere , bessere Lösungen benötigt .
Eine andere , j edoch technische naheliegende Lösung ist ein Dieselgenerator . Diese Lösung hat j edoch den Nachteil das der Diesel-Treibstof f regelmäßig nachgefüllt werden muss und der Grundgedanke von der Entwicklung einer vernünftigen CO2- emissions f reien Of f shore-Technologie nicht verwirklicht werden kann .
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mittel anzugeben, welche es erlauben, Windkraftanlagen ohne Netzkopplung im Direktbetrieb mit Elektrolyseanlagen, insbesondere Anlagen zur Wasserelektrolyse , sei es „onshore" oder „of fshore" , möglichst einfach und zuverlässig mit Energie zu versorgen, und den Betrieb der Anlage (n) gleichzeitig möglichst autark und wartungsarm zu gestalten .
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst . Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche .
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betri f ft ein Energieversorgungssystem zur Kopplung an eine im Inselbetrieb eingesetzt Windkraftanlage , d . h . ohne Netzkopplung, zum Beispiel als dezentrale Energieanlage .
Die Windkraftanlage ist eingerichtet , eine Elektrolyseanlage beziehungsweise einen Elektrolyseur zur Herstellung von grünem Wasserstof f mit Windenergie zu betreiben . Vorzugsweise handelt es sich bei der Elektrolyseanlage um eine PEM- Wasserelektrolyse . Alternativ oder zusätzlich kann eine alkalische Elektrolyse zur Herstellung von Wasserstof f verwendet werden .
Das Energieversorgungssystem weist eine Solarenergiequelle , umfassend (mindestens ) einen Solarthermiekollektor und/oder (mindestens ) ein Photovoltaikmodul auf . Die Solarenergie oder Sonnenenergiequelle ist weiterhin eingerichtet , die Elektrolyseanlage , insbesondere eine Einhausung oder Umhausung derselben und deren wasserführende Leitungen im Falle des Ausbleibens von Windenergie , d . h . vorzugsweise , bei Windstille keine Windenergie abgegri f fen werden kann oder einem Defekt der Anlage , mit thermischer Energie (Hil fsenergie ) zu versorgen . Dies insbesondere , um den Betrieb der Anlage über das genannte ( kurz zeitige ) „Hindernis" hinweg, sicherzustellen . Eine Ausgestaltung der Solarenergieanlage als Solarthermiekollektor kann, ebenso wie ein Photovoltaikmodul , mittelbar über ein elektrisches Hei zgerät beispielsweise thermische Energie entsprechend für den netzunabhängigen Elektrolysebetrieb bereitstellen . Der überragende Vorteil der vorgestellten erfinderischen Lösung besteht darin, dass die Sonnenenergie als Energieträger bei Windflauten häufig verfügbar ist und damit vorteilhaft genutzt werden kann . Für die Lösung kann sowohl die Photovoltaik als auch die Solarthermie eingesetzt werden . Die Photovoltaik bietet insbesondere den Vorteil , auch eine elektrische Anlagen-Steuerung sowohl der Windkraftanlage als auch des Elektrolysesystems während der Windstille betreiben zu können . Eine ohnehin bestehende Batterie als elektrischer Zwischenspeicher kann folglich deutlich kleiner dimensioniert werden . Dadurch hat man einen geringeren Platzbedarf , weniger Gewicht auf der Plattform und viel geringere Kosten .
Der vorliegende Erfindungsgedanke , insbesondere eine weitere erneuerbare Energiequelle zur Verfügung zu stellen, erscheint in Hinblick auf Anwendungs fall von Windkraftanlagen nicht intuitiv, der die Windkraftanlage selbst kaum nutzbare Fläche bietet , die Gewinnung von Solarenergie hingegen sehr viel .
In einer Ausgestaltung ist das Photovoltaikmodul ( zusätzlich oder alternativ) eingerichtet , eine Steuerung und/oder eine Wasseraufbereitung der Elektrolyseanlage mit elektrischer Energie zu versorgen .
In einer Ausgestaltung umfasst das Energieversorgungssystem (mehrere ) Photovoltaikmodule mit einer Modul fläche von mindestens 50 m2 pro Elektrolyseeinheit . Eine Elektrolyseeinheit kann dabei vorzugsweise etwa mit einer Einhausung von maximal der Größe eines ISO-Containers bereitgestellt werden, oder vorliegen . In diesem Zusammenhang wären beispielsweise pro Elektrolysemodul mindestens 50 m2 Modul fläche der Photovoltaik pro , insbesondere auf dem, Container zu installieren . Diese Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft und ausgewogen hinsichtlich der auf dem j eweiligen Container bzw . der Plattform der Windkraftanlage zur Verfügung stehenden sonnenaktiven Fläche und auch des Bedarfs an Solarenergie für den netzautarken, vorübergehenden Betrieb der Windkraftanlage bzw . des Elektrolyseurs bei Windstille .
In einer Ausgestaltung ist das Photovoltaikmodul entsprechend eingerichtet , auf dem Dach einer Elektrolyseeinheit bzw . eines die Einhausung der Einheit bildenden Containers ( flächenoptimiert ) montiert zu werden .
In einer Ausgestaltung ist vorzugsweise der mindestens eine Solarthermiekollektor , unter Umständen aber auch das Photovoltaikmodul eingerichtet , während des Betriebs am Turm der Windkraftanlage installiert zu werden . In Anbetracht der oben beschriebenen Schwierigkeit , Windkraftanlagen bzw . Elektrolyseanlagen autark zu betreiben und damit erneuerbare Energien überhaupt erst vernünftig nutzbar zu machen, bietet diese Ausgestaltung tatsächlich die Synergie , die ansonsten ungenutzte Fläche des Windanlagenturms für die Energieversorgung vorteilhaft zu funktionalisieren .
In einer Ausgestaltung ist die Windkraftanlage eine „Of f shore"-Windkraf tanlage und der Solarthermiekollektor bzw . das Photovoltaikmodul ist während des Betriebs der Windkraftanlage ( auf dem Meer ) schwimmend ausgebildet . Weiterhin sind die entsprechenden Solarenergiequellen zweckmäßigerweise selbstverständlich entsprechend an die Elektrolyseanlage gekoppelt oder koppelbar und elektrisch angebunden .
In einer Ausgestaltung weist der Solarthermiekollektor ein Reservoir für ein Wärmeträgermedium auf und ist insbesondere als Flachkollektor oder als Vakuumsröhrenkollektor ausgebildet , wobei eine wärmeabsorbierende Fläche des Solarthermiekollektors Wärme im Betrieb des Systems ( der Windkraftanlage ) auf das Wärmeträgermedium überträgt . Gemäß dieser Ausgestaltung kann die benötigte Wärme vorzugsweise durch die Vorhaltung des Wärmeträgers im Reservoir schrittweise und bedarfsgerecht (vorübergehend) bzw . maßgeschneidert an die entsprechenden für die Autarkie der Anlage erforderlichen Hei zung angepasst werden .
In einer Ausgestaltung ist das Reservoir unter einer die Elektrolyseanlage während des Betriebs tragenden Plattform oder im Turm der Windkraftanlage installiert . Über diese Lagebeziehung, kann - wie oben beschrieben - vorteilhafterweise ungenutzte Fläche der Windkraftanlage zweckmäßig und erfindungsgemäß genutzt werden .
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betri f ft ein Verfahren zur Versorgung einer im Inselbetrieb eingesetzten Windkraftanlage mit Solarenergie , insbesondere unter Einsatz des beschriebenen Energieversorgungssystems . Das Versorgungsverfahren kann mithin vorteilhafterweise ein Betriebsverfahren des Energieversorgungssystems darstellen .
Die Windkraftanlage liefert Windenergie für den Betrieb der Elektrolyseanlage zur Bereitstellung von grünem Wasserstof f , wobei die Solarenergiequelle , umfassend einen Solarthermiekollektor und/oder ein Photovoltaikmodul , eingesetzt wird, die Elektrolyseanlage im Falle des Ausbleibens von Windenergie (wie oben beschrieben) mit thermischer Energie zu versorgen .
In einer Ausgestaltung des Verfahrens werden der mindestens eine Solarthermiekollektor und oder das mindestens eine Photovoltaikmodul - es können natürlich j eweils auch mehrere der Komponenten vorgesehen werden - verwendet , die Einhausung und wasserführende Leitungen der Elektrolyseeinheiten mit thermische Energie zu versorgen, insbesondere zu hei zen oder auf der beschriebenen Betriebstemperatur zu halten und damit im Notfall vor dem Einfrieren zu schützen . In einer Ausgestaltung wird das Photovoltaikmodul zusätzlich verwendet , um eine Steuerung und/oder eine Wasseraufbereitung der Elektrolyseanlage mit elektrischer Energie zu versorgen .
In einer Ausgestaltung wird der Solarthermiekollektor die Elektrolyseanlage nur dann mit thermischer Energie versorgt , wenn keine Windenergie abgegri f fen werden kann, d . h . Windenergie aufgrund von Windstille oder eines Anlagendefektes ausbleibt .
In einer Ausgestaltung überträgt der Solarthermiekollektor während des Betriebs der Anlage Wärme von der wärmeabsorbierenden Fläche desselben auf das beschriebene Wärmeträgermedium, wobei diese Wärme , nur bei Bedarf oder schrittweise , beispielsweise phasenweise über Nacht oder bei Windflaute , zur Behei zung der Elektrolyseeinheiten eingesetzt wird .
In einer Ausgestaltung wird die durch das Photovoltaikmodul bereitgestellt elektrische Energie dazu verwendet , eine Klimaanlage der Windkraftanlage und/oder der Elektrolyseanlage zu betreiben . Der Begri f f „Klimaanlage" soll vorliegenden breit verstanden werden und unter anderem Hei zung, Lüftung und Klimatechnik im Allgemeinen umfassen .
In einer Ausgestaltung wird die durch das Photovoltaikmodul bereitgestellt elektrische Energie dazu verwendet , einen Batteriespeicher (BESS-System) oder sogenannte unterbrechungs freie Stromversorgungssysteme der Windkraftanlage bei Bedarf zu laden .
Ausgestaltungen, Merkmale und/oder Vorteile , die sich vorliegend auf das Energieversorgungssystem beziehen, beziehen sich analog auf Versorgungsverfahren, und umgekehrt .
Der hier verwendete Ausdruck „und/oder" oder „bzw . " , wenn er in einer Reihe von zwei oder mehreren Elementen benutzt wird, bedeutet , dass j edes der aufgeführten Elemente alleine verwendet werden kann, oder es kann j ede Kombination von zwei oder mehr der auf geführten Elemente verwendet werden .
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren beschrieben .
Figur 1 zeigt anhand einer schematischen Übersicht eine Of f shore-Windkraf tanlage samt einer Elektrolyseanlage , welche eingerichtet ist , die Windkraftanlage für die Herstellung von grünem Wasserstof f mit Windenergie zu betreiben .
Figur 2 zeigt eine schematische Seitenansicht mit Details des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems sowie weiteren Komponenten der Windkraftanlage .
Figur 3 zeigt - in einer Darstellung analog zu Figur 1 - Teile des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems in einer Perspektivansicht der Plattform .
Figur 4 zeigt eine schematische vereinfachte Ansicht einer schwimmenden Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Solarenergiequelle .
Figur 5 zeigt eine Aus führungs form der erfindungsgemäßen Solarenergiequelle als Solarthermiekollektor .
Figur 6 deutet schließlich anhand eines Schemas die Funktionsweise der Wasserelektrolyse an .
In den Aus führungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleichwirkende Elemente j eweils mit den gleichen Bezugs zeichen versehen sein . Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente , zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein .
Figur 1 zeigt im oberen rechten Teil eine Windkraftanlage 30 . Im unteren Bereich des Turms (vgl . Bezugs zeichen 33 weiter unten) oberhalb des Meeresspiegels ist daran eine Plattform 34 vorgesehen, welche in der verbleibenden Darstellung aus führlicher gezeigt ist .
Die Plattform trägt insbesondere Container 12 , welche Elektrolyseelemente , d . h . beispielsweise einzelne Elektrolyseure , bzw . Elektrolyseanlagen 11 umfassen . Teile dieser Container 12 können auch Steuerungselemente oder „Balance-of-Plant"-Elemente 14 umfassen, welches beispielsweise alle Komponenten der Elektrolyseeinheiten einschließt , außer der einzelnen Elektrolysezellen 11 selbst . Weitere in den Containern untergebrachte Komponenten oder Anlagenteile können auch Vorhaltetanks für das Eduktwasser der Elektrolyseure 11 , oder dergleichen betref fen .
Die Windkraftanlage 30 hat vorzugsweise vorliegend keine Netzanbindung oder Netzkopplung, sondern betreibt mit der auf genommenen Windenergie direkt die beschriebene Elektrolyseanlage 11 zur Herstellung von vorzugsweise grünem Wasserstof f . Mehr Details zu den involvierten Reaktionen und der Funktionsweise der Wasserelektrolyse werden weiter unten anhand der Figur 6 beschrieben .
Bei der Windkraftanlage 30 handelt es sich vorzugsweise um eine Of f shore-Windturbine . Von den Darstellungen der Figuren 1 und 3 abweichend, sind die erfindungsgemäß vorgestellten Mittel zur verbesserten Energieversorgung der Anlage aber auch auf „Onshore"-Anlagen ohne weiteres anwendbar .
Die Strategie der Bereitstellung der Elektrolyseanlage 11 über einzelne Container 12 , vorzugsweise ISO-Container, gewährleistet vorteilhaft einen einfachen Wartung- und Instandsetzungsprozess , und schützt die Anlagenteile gleichzeitig vor Klima- und Wettereinflüssen sowie vor Korrosion und schadhaften mechanischen Einflüssen .
Figur 2 stellt in einer vereinfachten alternativen ( schematischen) Ansicht die beschriebene Windkraftanlage 30 dar, welche zudem mit einem erfindungsgemäßen Energieversorgungssystem 20 ( siehe rechts im Bild) ausgerüstet ist . Rotorblätter (nicht expli zit gekennzeichnet ) der Anlage 30 sind im linken Bereich der Darstellung angedeutet und direkt daneben eine Gondel 31 bzw . der Generatorteil der Anlage .
Die oben beschriebene Plattform 34 am Turm 33 ist oberhalb eines mit dem Bezugs zeichen 32 angedeuteten Sockels , angeordnet . Obwohl der Meeresspiegel durch die Wellenkontur angedeutet werden soll , ist die vorliegende Erfindung ebenso auf dem Land installierte Windkraftanlagen ohne Netzkopplung entsprechend anwendbar .
Die Plattform 34 trägt insbesondere die Elektrolyseanlage 11 , umfassend üblicherweise eine Mehrzahl von „Elektrolyse- Stacks" . Jeder des Stacks weist wiederum vorzugsweise eine Mehrzahl von Elektrolysezellen 11 auf (vgl . Figur 6 weiter unten) , welche zu den Stacks aneinandergereiht zusammengeschlossen und entsprechend angebunden werden .
Eine Einhausung der Elektrolyse-Anlagenteile durch den Container 12 ist unter anderem wichtig für die erforderliche „Klimatisierung" der Elektrolyseanlage 11 .
Der Zweck direkt angebundener Elektrolysesysteme an erneuerbare Energieanlagen, wie Windkraftanlagen, ist der möglichst wartungsarme und autarke Betrieb über einen langen Zeitraum . Die Kosten von Wartung und Austausch von Bauteilen ist insbesondere auf hoher See sehr aufwendig und kostenintensiv . Künftig werden solche Energieanlagen, mithin solche Elektrolyseanlagen, maßgeblich ohne Netzanbindung auskommen müssen, um entsprechende Trans formation oder Leitungsverluste zu vermeiden . Gleichwohl kann der Wasserstof f oder vergleichbare Energieträger ef fi zient am Ort der Energieanlage produziert und beispielsweise bereits als Energiespeicher oder mittelbar über einen Energieträger gespeichert oder, alternativ, in Pipelines eingespeist werden .
Dieser Vorzug geht mit der Schwierigkeit einher, keine Netzenergie für Hil fssysteme und die Behei zung oder Erhaltung der Betriebstemperatur der Windkraft- und Elektrolyseanlage zur Verfügung zu haben .
Ein mit dem Bezugs zeichen 14 angedeuteter Bereich des Containers steht beispielsweise für Balance-of-Plant- Komponenten und/oder eine Steuerung der Elektrolyseure , Trans formatoren, Gleichrichter oder auch ein - durch die vorliegende Erfindung vorteilhaft klein dimensionierte - Batterie „Back-up" oder BESS-Batteriesystem .
Demgegenüber kann der Bereich 13 eine Wasseraufbereitung für das Edukt-Wasser, insbesondere umfassend eine Meerwasser- Entsal zungsanlage bezeichnen ( entsprechende wasserführende Leitungen sind in den Figuren vorliegend nicht expli zit eingezeichnet , erstrecken sich aber zweckmäßig von einem Vorhaltetank zu j eder einzelnen der gezeigten Elektrolyseeinheiten, um die Einheiten entsprechend mit Edukt-Wasser zu versorgen .
Oberhalb, vorzugsweise auf dem Dach des Containers 12 , ist ein Teil des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems 20 installiert . Das System 20 umfasst eine Solarergiequelle 21 , umfassend ein Photovoltaikmodul 22 und/oder einen Solarthermiekollektor 23 . Die Solarenergiequelle 21 ist weiterhin eingerichtet , die Elektrolyseanlage 11 , insbesondere die Einhausung 12 und wasserführende Leitungen im Falle des Ausbleibens von Windenergie mit thermischer Energie zu versorgen .
Eine Ausgestaltung der Solarenergiequelle als Photovoltaikmodul 22 kann zusätzlich verwendet werden, um eine Steuerung 14 und/oder eine Wasseraufbereitung 13 der Elektrolyseanlage , mit elektrischer Energie zu versorgen .
Zudem kann die Wasseraufbereitung / Wasserrreinigung oder - entsal zung 13 thermische Energie , mithin Wärme , benötigen, die von den Kollektoren stammen kann .
Eine Ausgestaltung der Solarenergiequelle als Solarthermiekollektor 23 wird hingegen erfindungsgemäß vorzugsweise so eingesetzt , dass die Elektrolyseanlage 11 nur dann mit thermischer Energie versorgt wird, wenn keine Windenergie abgegri f fen werden kann . Dies kann zum Beispiel bei einem Defekt , Notstopp des Windgenerators oder schlicht bei Windstille der Fall sein .
Die über das Photovoltaikmodul 22 bereitgestellte elektrische Energie kann weiterhin dazu verwendet werden, eine Klimaanlage der Windkraftanlage 30 und/oder der Elektrolyseanlage 11 zu betreiben .
Schließlich kann die über das Photovoltaikmodul 22 bereitgestellte elektrische Energie alternativ oder zusätzlich dazu verwendet werden, einen Batteriespeicher (nicht expli zit gekennzeichnet ) der Windkraftanlage 30 (nur ) bei Bedarf zu laden .
Das Bezugs zeichen 24 deutet beispielhaft und schematisch ein Reservoir für ein Wärmeträgermedium an . Das Reservoir 24 kann weiterhin Teil des Energieversorgungssystems 20 sein und ist demgemäß zweckmäßigerweise funktionell an den entsprechenden Solarthermiekollektor gekoppelt . Demgemäß kann der Solarthermiekollektor 23 in einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Energieversorgungsverfahrens während des Betriebs Wärme von einer wärmeabsorbierenden Fläche desselben auf ein Wärmeträgermedium (vorliegend ebenfalls nicht expli zit gekennzeichnet ) übertragen . Diese Wärme kann dann bei Bedarf schrittweise zur Behei zung der Elektrolyseeinheiten, verwendet werden .
In Figur 2 ist weiterhin schematisch gestrichelt ( optional ) eine Wärmepumpe bzw . ein elektrisches Hei zgerät 25 angedeutet , welches vorgesehen werden kann, um ggf . über Photovoltaik ( PV) gewonnene elektrische Energie für die thermische Nutzung zu Hei z zwecken zu nutzen .
Figur 3 zeigt die Plattform 34 einer vorliegend beschriebenen Windkraftanlage 30 , welche mit dem erfindungsgemäßen Energieversorgungssystem 20 ausgerüstet ist ; ähnlich zur Darstellung der Figur 1 . Es ist erkennbar, dass j edes Dach der gezeigten Container 12 mit einer Solarenergiequelle , sei es als Photovoltaikmodul 22 oder als Solarthermiekollektor 23 , versehen ist .
Vorzugsweise umfasst das Energieversorgungssystem 20 Photovoltaikmodule 22 mit einer Modul fläche von mindestens 50 m2 pro Elektrolyseeinheit . Dabei muss die genannte Modul fläche nicht etwa pro Container vorhanden sein, sondern es kann selbstverständlich auch die zur Verfügung stehende sonnenaktive Dachfläche derj enigen Container mit Photovoltaikmodulen bestückt sein, welche lediglich „Balance- of-Plant"-Komponenten oder Hil fssysteme beinhalten .
Weiterhin können circa oder mindestens drei Elektrolyseeinheiten pro Plattform 34 bzw . Anlage 10 vorhanden sein . Die auf zunehmende elektrische Leistung einer Elektrolyseeinheit kann indes ca . 4 bis 5 MW betragen . Alternativ oder zusätzlich dazu kann ein Photovoltaikmodul oder auch ein Solarthermiekollektor am Turm 33 der Windkraftanlage angebracht sein .
Mit anderen Worten zusammenfassend und gegebenenfalls weitere auf alle Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung anwendbare Merkmale enthaltend, lässt sich die vorliegende Erfindung mit den folgenden Worten beschreiben .
Sonnenergie wird an der Windkraftanlage durch den Einsatz von Photovoltaikmodulen oder Solarthermiekollektoren genutzt , um die Elektrolyseanlage bei Windflaute und kalten Außentemperaturen vor dem Einfrieren zu schützen . Der Vorteil dabei ist , dass bei Windstille sehr oft keine Bewölkung den Himmel bedeckt und damit am Tag direktes Sonnenlicht genutzt werden kann .
Für den Einsatz der Photovoltaik kommen grundsätzlich alle Solarzellentechnologien in Frage . Dickschichtzellen aus monokristallinem ( c-Si ) oder polykristallinem Sili zium haben bis dato wohl den höchsten Wirkungsgrad und benötigen damit die kleinste Auf Stell fläche für die benötigte elektrische Leistung . Mit diesen Modulen kann man bei direkter Sonnenbestrahlung etwa 200W/m2 generieren . Somit würde die oben beschriebene Modul fläche ( 40 bis 50 m2 ) bereits für eine minimale Versorgung der Elektrolysecontainer ausreichen .
Wie beschrieben können die Photovoltaikmodule 22 z . B . auf dem Dach der Elektrolysecontainer 12 platziert werden und j edenfalls bei Windstille elektrischen Strom zur Verfügung stellen . Dieser elektrische Strom kann direkt für die Messtechnik und Steuerung oder das HVAC-Klimasystem der Elektrolyseeinheiten im Stillstand genutzt werden . Daneben kann auch ein Back-up-Batterie geladen werden, um beispielsweise (nur ) in der Nacht elektrische Leistung zur Verfügung zu stellen . Aber auch für Dünnschichtsolarzellen wie amorphes ( a-Si ) , mikrokristallines (pm-Si ) Sili zium, CIS/CIGS (Kupfer- Indium ( - Gallium- ) - ( Di ) selenid, CdTe ( Cadmium-Tellurid) oder organische Solarzellen können dafür eingesetzt werden . Module aus diesen Technologien können beispielsweise auf flexiblen Folien aufgetragen werden und damit am runden Turm der Windkraftanlage 30 angebracht werden .
Daneben sind auch Perowskit-Solarzellen anwendbar . Diese Dünnschicht-Technologien sind in der Lage , auch di f fuses Licht sehr gut umzusetzen und somit auch die ( sonnenabgewandte ) Rückseite des Turmes nutzbar zu machen .
Zudem ist der Einsatz von konzentrierter Photovoltaik ( CPV) ist denkbar . Da diese Module j edoch direkte Sonneneinstrahlung benötigen und damit dem Sonnenlauf nachgeführt werden müssen, erscheint eine solche Installation aufwendiger .
Die elektrische Energie der installierten Photovoltaikmodule muss nicht nur bei niedrigen Temperaturen und Windflaute eingesetzt werden, sondern kann hingegen die gesamte Zeit zur Versorgung der Elektrolyseeinheit dienen .
Neben der Nutzung von Photovoltaikmodulen können auch Solarthermiekollektoren für die Warmwassergewinnung installiert werden ( siehe oben) . Das Wärmemedium kann mit der eigesammelten Wärme in Tanks zwischengespeichert werden .
Diese Tanks können z . B . unter der Plattform oder im Windradturm platziert werden . Diese Wärme lässt sich dann schrittweise nutzen, um z . B . die Nacht zu überbrücken .
Figur 4 deutet zudem eine weitere Ausgestaltung und Installation der Photovoltaikmodule ( oder der Solarthermiekollektoren) anhand einer schematischen Ansicht an . Es ist zu erkennen, dass es bei Of f shore-Plattformen - neben einer Platzierung der Solarmodule auf der Elektrolyseplattform oder direkt am Windradturm - erfindungsgemäß auch möglich ist , auf dem Meer schwimmende Solarmodule vorzusehen, die sich in der Nähe des Turmes 34 befinden . Bei sogenannten Onshore-Platt formen könnten diese dann stattdessen landgestützt oder am Boden installiert werden . Der dort erzeugte Strom lässt sich dann entsprechend auf die Plattform leiten und für die beschriebenen Zwecke nutzen .
Figur 5 deutet eine beispielhafte konkrete Ausgestaltung eines Solarthermiekollektor an . Für den Einsatz als Solarthermiekollektoren sind beispielsweise sowohl Flachkollektoren als auch Vakuumröhrenkollektoren geeignet . Bei beiden Technologien erwärmt die Sonnenstrahlung eine wärmeabsorbierende Fläche , welche die Wärme auf das Wärmeträgermedium überträgt . Das so erzeugte warme Wasser kann genutzt werden, um das innere der Container auf zuhei zen und wie beschrieben vor dem Einfrieren zu schützen .
Figur 6 zeigt eine Elektrolysezelle 10 , insbesondere eine PEM-Elektrolysezelle für die Wasserelektrolyse . Der Kern einer solchen Polymer-Elektrolyt-Membran-Elektrolysezelle 10 ist in der Regel durch eine Membranelektrodenanordnung (MEA) gebildet , welche in der Mitte angedeutet ist . Die MEA weist eine mit Katalysatoren beschichtete Membran 3 auf .
Ein erstes Katalysatormaterial ist mit dem Bezugs zeichen 2 gekennzeichnet . Hingegen ist ein zweites , von dem ersten Katalysatormaterial verschiedenen, Katalysatormaterials mit dem Bezugs zeichen 4 eingezeichnet . Im Bereich der durch das j eweilige Katalysatormaterial gebildeten Schicht , läuft die j eweilige Zellreaktion der Elektrolyse ab . Dabei werden während des bestimmungsgemäßen Betriebs Elektronen über das j eweilige Katalysatormaterial und eine Gasdi f fusionsschicht , zu den Kontakt- oder Bipolarplatten 5 abgeleitet . Aus diesem Grund ist auch eine hohe elektrische Leitfähigkeit der Katalysatorschichten gewünscht . Es ist weiterhin erkennbar, dass Edukt-Wasser (H2O) gemeinhin anodenseitig bereitgestellt wird, welches im Wege des Elektrolyseprozesses in Sauerstoff (O2) an der Anode und Wasserstoff (H2) an der Kathode freigesetzt und gewonnen werden kann.
Die Membran 3 bzw. ein Ausgangsmaterial, welches üblicherweise für die Beschichtung der Membran 1 mit dem „Katalysator" zu beschichten ist, enthält üblicherweise ein Perfluorsulfonsäure-Material (PFSA) , Polymer oder Ionomer 2.
Alternativ zur vorliegenden Ausgestaltung einer PEM- Wasserelektrolyse, kann, ohne Beschränkung der Allgemeinheit, auch eine andere Elektrolysevariante, beispielsweise eine alkalische Wasserelektrolyse im Kontext der Erfindung eingesetzt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Energieversorgungssystem (20) zur Kopplung an eine im Inselbetrieb eingesetzte Windkraftanlage (30) , wobei die Windkraftanlage (30) eingerichtet ist, eine Elektrolyseanlage
(11) zur Herstellung von grünem Wasserstoff mit Windenergie zu betreiben, wobei das Energieversorgungssystem (20) eine Solarergiequelle (21) , umfassend ein Photovoltaikmodul (22) und/oder einen Solarthermiekollektor (23) , aufweist, welche eingerichtet ist, die Elektrolyseanlage (11) , insbesondere eine Einhausung (12) und wasserführende Leitungen von Elektrolyseeinheiten der Elektrolyseanlage (11) , im Falle des Ausbleibens von Windenergie mit thermischer Energie zu versorgen .
2. System (20) nach Anspruch 1, wobei das Photovoltaikmodul (22) eingerichtet ist, eine Steuerung (14) und/oder eine Wasseraufbereitung (13) der Elektrolyseanlage, mit elektrischer Energie zu versorgen.
3. System (20) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Energieversorgungssystem (20) Photovoltaikmodule (22) mit einer Modulfläche von mindestens 50 m2 pro Elektrolyseeinheit umfasst .
4. System (20) nach Anspruch 3, wobei ein Photovoltaikmodul (22) eingerichtet ist, jeweils auf dem Dach einer Elektrolyseeinheit montiert zu werden.
5. System (20) nach Anspruch 3 oder 4, wobei das Photovoltaikmodul (22) eingerichtet ist, während des Betriebs am Turm (33) der Windkraftanlage (30) installiert zu werden.
6. System (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Windkraftanlage (30) eine Of f shore-Windkraf tanlage ist und das Photovoltaikmodul (22) und/oder der Solarthermiekollektor (23) während des Betriebs der
Windkraftanlage (30) auf dem Meer schwimmend ausgebildet und entsprechend an die Elektrolyseanlage (11) gekoppelt sind.
7. System (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Solarthermiekollektor (23) ein Reservoir (24) für ein Wärmeträgermedium umfasst und als Flachkollektor oder als Vakuumröhrenkollektor ausgebildet ist, wobei eine wärmeabsorbierende Fläche des Solarthermiekollektors (23) Wärme im Betrieb des Systems auf das Wärmeträgermedium überträgt .
8. System (20) nach Anspruch 7, wobei das Reservoir (24) unter einer die Elektrolyseanlage tragenden Plattform (34) oder im Turm (33) der Windkraftanlage (30) installiert ist.
9. Verfahren zur Versorgung einer im Inselbetrieb eingesetzten Windkraftanlage (30) mit Solarenergie, insbesondere unter Einsatz des Energieversorgungssystems (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Windkraftanlage (30) Windenergie zum Betrieb der Elektrolyseanlage (11) zur Herstellung von grünem Wasserstoff liefert, und wobei eine Solarenergiequelle (21) , umfassend ein Photovoltaikmodul (22) und/oder einen Solarthermiekollektor (23) , eingesetzt wird, die Elektrolyseanlage im Falle des Ausbleibens von Windenergie mit thermischer Energie zu versorgen.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Photovoltaikmodul (22) und/oder der Solarthermiekollektor (23) verwendet werden, eine Einhausung (12) und wasserführende Leitungen der Elektrolyseeinheiten (11) , mit thermischer Energie zu versorgen .
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Photovoltaikmodul (22) zusätzlich verwendet wird, um eine Steuerung (14) und/oder eine Wasseraufbereitung (13) der Elektrolyseanlage, mit elektrischer Energie zu versorgen.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei der Solarthermiekollektor (23) die Elektrolyseanlage (11) nur dann mit thermischer Energie versorgt, wenn keine Windenergie abgegriffen werden kann.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei der Solarthermiekollektor (23) während des Betriebs Wärme von einer wärmeabsorbierenden Fläche desselben auf ein Wärmeträgermedium überträgt, und wobei diese Wärme bei Bedarf schrittweise zur Beheizung der Elektrolyseeinheiten, verwendet wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei die durch das Photovoltaikmodul (22) bereitgestellte elektrische Energie dazu verwendet wird, eine Klimaanlage der Windkraftanlage (30) und/oder der Elektrolyseanlage (11) zu betreiben .
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei die durch das Photovoltaikmodul (22) bereitgestellte elektrische Energie dazu verwendet wird, einen Batteriespeicher der Windkraftanlage (30) bei Bedarf zu laden.
EP24733596.1A 2023-07-04 2024-06-17 Energieversorgungssystem zur kopplung an eine im inselbetrieb eingesetzte windkraftanlage sowie verfahren zur versorgung der windkraftanlage mit solarenergie Pending EP4643012A1 (de)

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