EP4649565A1 - Kombination einer elektrolyseanlage und eines elektrischen energiespeichers - Google Patents

Kombination einer elektrolyseanlage und eines elektrischen energiespeichers

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Publication number
EP4649565A1
EP4649565A1 EP23837230.4A EP23837230A EP4649565A1 EP 4649565 A1 EP4649565 A1 EP 4649565A1 EP 23837230 A EP23837230 A EP 23837230A EP 4649565 A1 EP4649565 A1 EP 4649565A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrolysis
blocks
battery
electrical energy
overall system
Prior art date
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Pending
Application number
EP23837230.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gerd Becker
Klaus Weinzierl
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.)
Primetals Technologies Germany GmbH
Original Assignee
Primetals Technologies Germany GmbH
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 Primetals Technologies Germany GmbH filed Critical Primetals Technologies Germany GmbH
Publication of EP4649565A1 publication Critical patent/EP4649565A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for AC mains or AC distribution networks
    • H02J3/28—Arrangements for balancing of the load in networks by storage of energy
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for AC mains or AC distribution networks
    • H02J3/38—Arrangements for feeding a single network from two or more generators or sources in parallel; Arrangements for feeding already energised networks from additional generators or sources in parallel
    • H02J3/381—Dispersed generators

Definitions

  • the present invention is based on an overall system
  • the overall system comprises a hydrogen-producing electrolysis plant and an electrical energy storage system as subsystems
  • the electrolysis plant and the electrical energy storage system are directly or indirectly connected to an electrical supply network for the transmission of electrical energy
  • US 8 288 888 B2 discloses an electrolysis plant that is fed from a wind farm. Fluctuations in the supply of electrical energy from the wind farm are compensated by adjusting the operation of the electrolysis plant and/or adjusting the operation of alternative loads and/or alternative energy sources.
  • the alternative loads and the alternative energy sources can be batteries.
  • the current control of the electrolysis modules is taken into account when controlling the alternative loads and energy sources.
  • an overall system includes, among other things, a hydrogen-producing electrolysis plant and an energy storage system as subsystems.
  • the electrolysis plant and the electrical energy storage system are directly or indirectly connected to each other and to an electrical supply network to transmit electrical energy.
  • the overall system is controlled by a control device.
  • the control device knows the current states of the subsystems.
  • Hydrogen is used - partly already today, partly in the future - in many industrial sectors. Examples are refineries, fertilizer factories, chemical plants and also the steel and metal industry. For example, in the steel industry, hydrogen is used on a considerable scale Hydrogen is needed to produce pig iron from iron ore during direct reduction without producing carbon dioxide.
  • alkaline electrolysis water is split into hydrogen and oxygen by passing current through a potassium hydroxide solution.
  • the process takes place at a temperature of around 80 °C.
  • the method is relatively inexpensive.
  • a rapid change in current is not easily possible.
  • the resistance is higher in a cold potassium hydroxide solution and thus the efficiency is lower.
  • every change in current also affects the temperature of the potassium hydroxide solution.
  • the output in alkaline electrolysis can therefore only be set in a range between around 50% and 100%.
  • a phase is required for reheating the potassium hydroxide solution after a shutdown.
  • the electrolyzer In PEM electrolysis, the electrolyzer consists of a proton-permeable polymer membrane that is coated on the cathode side with a porous electrode made of platinum supported on carbon and on the anode side with metallic or oxide precious metals (e.g. iridium). Water is decomposed on the anode side. Oxygen and positively charged hydrogen ions are produced. The latter migrate through the membrane to the cathode side, where they combine with electrons to form free hydrogen. This process can be regulated more quickly and can also be adjusted over a wide range. However, it is somewhat more expensive.
  • High-temperature electrolysis works at temperatures of several hundred degrees Celsius, for example between 500 and 600 degrees Celsius. Part of the energy required is supplied in the form of heat. This reduces the electricity requirement. This process is particularly suitable when waste heat is available from another plant - for example a steelworks - that could not otherwise be used.
  • the electrical controllability is even more limited than with PEM electrolysis because a ceramic, yttrium-stabilized zirconium oxide, is used as the separator. This should always remain at a high temperature if possible. When it cools down, it undergoes a phase transformation, which can cause cracks to form. Control is therefore typically only possible in a range between 70 and 100%.
  • the electrolysis plant requires direct current.
  • the electrolysis plant is connected to the supply network, which is usually a three-phase network, via a converter unit.
  • Battery storage systems have been around for a long time. They are used to temporarily buffer electrical energy. Such a battery storage system is charged when electrical energy is plentiful and therefore cheap, and discharged when electrical energy is less available and therefore more expensive.
  • a converter unit is required to connect the battery storage system to the supply network.
  • the object of the present invention is to create possibilities by means of which the operation of the electrolysis system and the operation of the battery storage system can be combined and coordinated with one another in a simple manner.
  • an overall system of the type mentioned at the outset is designed in such a way that
  • the electrical energy storage device has several battery modules
  • the battery modules are each connected to one of the electrolysis blocks via a respective converter circuit and
  • the electrolysis system can be integrated into the battery storage unit or, conversely, the battery storage unit can be integrated into the electrolysis system. This also makes it possible to take advantage of the fact that the operating voltage of individual electrolysis cells and individual battery cells is of a similar magnitude, namely in the lower single-digit volt range.
  • the electrolysis blocks are each designed as a parallel connection of a number of electrolysis strands, which in turn are each designed as a series connection of several electrolysis cells. This allows the capacity and performance of the electrolysis blocks to be scaled as required.
  • the electrolysis blocks - in the case of a parallel connection of electrolysis strands, alternatively the electrolysis strands - have a solid steel outer shell so that only electrical connections for power and sensors as well as inlets and outlets for an electrolyte and produced gases are accessible.
  • the battery modules each have a series connection of several battery blocks, which in turn each have a parallel connection of a number of battery cells. This allows the capacity and performance of the battery modules to be scaled as required.
  • the battery modules each have a balancing circuit which balances the charge states of the battery blocks of the respective battery module within the series-connected battery blocks of the respective battery module.
  • the converter circuits can be designed as synchronous converters, step-up converters or step-down converters as required.
  • a synchronous converter has the advantage that it enables bidirectional energy exchange.
  • Boost converters and step-down converters only enable unidirectional energy flow, but are cheaper to implement and easier to operate.
  • Converter circuits of the type mentioned and their operation are well known to experts. Here too, for example, there are entries in the German and English Wikipedia.
  • FIG 1 an overall system
  • FIG 2 an electrolysis plant and an energy storage system
  • FIG 3 an electrolysis plant and an energy storage system
  • FIG 4 an electrolysis block
  • FIG 5 a battery module
  • FIG 6 a converter circuit
  • FIG 7 an alternative converter circuit
  • FIG 8 shows another alternative converter circuit.
  • an overall system comprises an electrolysis plant 1 as a subsystem.
  • the electrolysis plant 1 produces hydrogen during operation.
  • the overall system further comprises an electrical energy storage device 2 as a further subsystem.
  • the overall system can include further subsystems, for example a plant in the steel industry or generally a plant that consumes electricity and/or hydrogen (not shown).
  • the overall system also includes a hydrogen storage facility 3 as a further subsystem.
  • the hydrogen storage facility 3 can be designed as a storage facility in the narrower sense, i.e. as a dedicated hydrogen storage facility.
  • the pipeline network through which hydrogen is transported also has a certain storage capacity and can serve as a hydrogen storage facility 3 in the sense of the present invention.
  • the hydrogen storage facility 3 can alternatively be arranged above ground or underground.
  • the hydrogen storage facility 3 is connected directly or indirectly to the electrolysis facility 1 to absorb hydrogen and is connected directly or indirectly to a hydrogen-consuming facility to release hydrogen. This is indicated in FIG. 1 by the connecting line above the electrolysis facility 1 and the hydrogen storage facility 3. Due to the hydrogen storage facility 3, the operation of the electrolysis facility 1 - especially in conjunction with the hydrogen-consuming facility - can be designed more flexibly.
  • the electrolysis system 1 and the electrical energy storage device 2 are connected to one another for the transmission of electrical energy. They are also connected directly or indirectly to an electrical supply network 5 via a converter unit 4.
  • the converter unit 4 is preferably designed in such a way that the voltage applied to the electrolysis system 1 and the energy storage device 2 can be adjusted via it.
  • the supply network 5 is usually a three-phase network and thus a multi-phase supply network.
  • the three-phase network is often operated with a medium voltage in the range of 20 kV to 30 kV or with a high voltage of 110 kV.
  • the overall system also includes a control device 6.
  • the control device 6 is programmed with a control program 7.
  • the control program 7 includes machine code 8 that can be processed by the control device 6. Due to the programming with the control program 7, the control device 6 processes the machine code 8.
  • the processing of the machine code 8 by the control device 6 causes the control device 6 to control the overall system.
  • the production of hydrogen in each electrolysis cell is essentially proportional to the flowing current.
  • the voltage drop across an individual electrolysis cell is a function of the current.
  • the voltage can also depend on the temperature of the electrolysis liquid and the wear of a membrane of the respective electrolysis cell.
  • the efficiency with which each electrolysis cell works corresponds essentially to the voltage drop across the respective electrolysis cell. The wear in turn depends on the temperature and the current.
  • the voltage of an individual battery cell depends on the charge of the respective battery cell and - due to the internal resistance - on the current through the respective battery cell.
  • the charge state of the respective battery cell is determined, starting from a known initial value, by integration over the current.
  • the internal resistance can depend, for example, on the temperature and the wear of the respective battery cell, and possibly also on the charge state.
  • the wear is also dependent on the current through the respective battery cell and on the charge state of the respective battery cell. There may also be a dependency on other variables, for example on the wear already present or on the temperature.
  • the electrolysis system 1 has several electrolysis blocks 10.
  • the energy storage device 2 also has several battery modules 11.
  • the battery modules 11 are each connected to one of the electrolysis blocks 10 via a respective converter circuit 12.
  • the number of electrolysis blocks 10 can be determined as required. For example, it can be 10, 15, 20, 50 or 100. Other numbers are also possible, be it less than 10, be it more than 100, be it between 10 and 100. As a rule, however, the number of electrolysis blocks 10 will be between 10 and 30. Regardless of the number of electrolysis blocks 10, however, the same number of battery modules 11 and converter circuits 12 are always present, so that exactly this number of groups, each consisting of one (1) electrolysis block 10, one (1) battery module 11 and one (1) converter circuit 12, can be formed.
  • the electrolysis blocks 10 form an (electrical) series connection that is connected to the supply network 5 via the converter unit 4.
  • the series connection of the electrolysis blocks 10 is therefore directly connected to the supply network 5 via the converter unit 4.
  • the battery modules 11 are only connected to the supply network 5 via the respective converter circuit 12 and thus indirectly.
  • the battery modules 11 are thus, so to speak, appendages of the respective electrolysis block 10.
  • the battery modules 11 form an (electrical) series connection that is connected to the supply network 5 via the converter unit 4.
  • the electrolysis blocks 10 are thus, so to speak, appendages of the respective battery module 11.
  • the electrolysis blocks 10 are each designed as a parallel connection of a number of electrolysis strands 13.
  • the number of electrolysis strands 13 per electrolysis block 10 can be (only) 1.
  • the parallel connection is degenerate.
  • the electrolysis blocks 10 often have several electrolysis strands 13 each, so that a true parallel connection exists.
  • the number of electrolysis strands 13 per electrolysis block 10 is the same for all electrolysis blocks 10.
  • the number of electrolysis strands 13 per electrolysis block 10 will be between 10 and 30.
  • electrolysis strands 13 are themselves designed as a series connection of several electrolysis cells 14.
  • the electrolysis cells 14 of the respective electrolysis strand 13 are arranged one behind the other both electrically and mechanically and fluidically.
  • a single electrolysis cell 14 is the smallest possible structural unit. It is characterized in particular by its electrochemical operating voltage, which is usually in the lower single-digit volt range, for example between 1.5 V and 2.0 V.
  • the number of electrolysis cells 14 per electrolysis string 13 can be determined as required. For example, it can be 50, 80, 100, 120, 150 or 200 electrolysis cells 14. Other numbers are also possible, be it less than 50, more than 200, or between 50 and 200. Within the respective electrolysis block 10, the number of electrolysis cells 14 per electrolysis string 13 is uniformly the same. It can vary from electrolysis block 10 to electrolysis block 10. As a rule, however, the number of electrolysis cells 14 per electrolysis string 13 will be between 50 and 250, in particular between 100 and 200.
  • the product of the number of electrolysis blocks 10 and the number of electrolysis cells 14 per electrolysis string 13 is often in the range between 500 and 3000, in particular between 1000 and 2000. It is possible that the interior of the electrolysis blocks 10 or the electrolysis strands 13 cannot be easily accessed.
  • the electrolysis blocks 10 or the electrolysis strands 13 can have a solid steel outer shell, so that only electrical connections for power and sensors as well as inlets and outlets for the electrolyte and produced gases are accessible. Due to the arrangement in the outer shell, the electrolysis can take place under pressure, so that, for example, energy can be saved for subsequent compression of the hydrogen. Otherwise, this energy would be required, for example, to store the hydrogen in the hydrogen storage 3.
  • the battery modules 11 according to FIG 5 each have a series connection of several battery blocks 15.
  • the number of battery blocks 15 per battery module 11 can be determined as required. For example, it can be 50, 80, 100, 120, 150 or 200 battery blocks 15. Other numbers are also possible, be it less than 50, more than 200, or between 50 and 200.
  • the number of battery blocks 15 is often the same for all battery modules 11. However, this is not mandatory. Rather, the number of battery blocks 15 can vary from battery module 11 to battery module 11. As a rule, however, the number of battery blocks 15 per battery module 11 will be between 50 and 250, in particular between 100 and 200.
  • the battery blocks 15 in turn have a number of battery cells 16 connected in parallel.
  • the number of battery cells 16 per battery block 15 can be (only) 1.
  • the parallel connection is degenerate.
  • the battery blocks 15 often have several battery cells 16 each, so that a true parallel connection exists.
  • the number of battery cells 16 per battery block 15 is the same for all battery blocks 15.
  • the number of battery cells 16 per battery block 15 will be between 50 and 500, in particular between 100 and 400.
  • a single battery cell 16 is the smallest possible structural unit. It is characterized in particular by its electrochemical operating voltage, which is usually also in the lower single-digit volt range, for example between 1.2 V and 5.0 V, especially in the case of a Li cell between 3.2 V and 4.2 V.
  • the battery modules 11 each have a balancing circuit 17.
  • the respective balancing circuit 17 effects a balancing of the charge states of the battery blocks 15 of the respective battery module 11 within the series-connected battery blocks 15 of the respective battery module 11. Balancing circuits 17 are known as such.
  • the converter circuits 12 can be designed as required.
  • the converter circuits 12 can be designed as synchronous converters as shown in FIG 6.
  • the respective converter circuit 12 comprises two electronic switching elements 18 (as shown in FIG. 6, MOSFETs, but other semiconductor switches are also possible) and a choke 19.
  • the capacitor 20 shown in FIG. 6 is often present, but not mandatory.
  • the converter circuits 12 can be designed as step-up converters or step-down converters as shown in FIGS. 7 and 8. As a rule, the converter circuits 12 are designed in a uniform manner.
  • the converter circuits 12 When the converter circuits 12 are designed as synchronous converters, the unit with the higher operating voltage is generally arranged on the input side of the respective converter circuit 12. Depending on the design of the electrolysis blocks 10 and the battery modules 11, this can be either the respective electrolysis block 10 or the respective battery module 11.
  • the converter circuits 12 When the converter circuits 12 are designed as step-up converters or step-down converters, the direction of the energy flow is fixed. In this case, the respective battery module 11 must always be arranged on the input side of the respective converter circuit 12.
  • the design of the converter devices 12 as step-up converters or step-down converters is possible in particular with the design according to FIG. 3.
  • n+1 control variables to be set for n groups, each consisting of one (1) electrolysis block 10, one (1) battery module 11 and one (1) converter circuit 12.
  • One of the control variables is the operating mode of the converter unit 4. Its control determines the extent to which energy is supplied to the electrolysis system 1 and the energy storage device 2 (this value can also be negative for a short time).
  • the other n control variables are the operating modes of the converter circuits 12, in particular their pulse width ratios.
  • the operating modes of the converter circuits 12 determine the extent to which the current delivered by the converter unit 4 is distributed between the respective electrolysis block 10 and the respective battery module 11. The distribution can be uniformly the same for the n groups. However, this is not absolutely necessary. In any case, the converter unit 4 and the converter circuits 12 should be controlled in such a way that a certain voltage is applied to the unit consisting of the electrolysis system 1 and the energy storage device 2 and the currents of the battery modules 11 have certain values.
  • the voltages and currents are recorded, as far as necessary, and integrated into corresponding control circuits for determining the controls of the converter unit 4 and the converter circuits 12.
  • the described nested structure of the electrolysis system 1 and the energy storage device 2 is particularly advantageous because it is modular. If - for example - an individual electrolysis block 10 and/or an individual battery module 11 and/or an individual converter circuit 12 needs to be serviced, repaired or replaced, the corresponding The corresponding group can be bridged via switching devices (not shown). The other groups, however, could continue to be operated, although the control of the converter unit 4 and/or the remaining converter circuits 12 may have to be adapted, but can often be left unchanged or almost unchanged. Above all, however, the electrolysis system 1 and the energy storage system 2 can continue to be operated as a whole.
  • the present invention has many advantages. In particular, a comprehensive optimization of the operation of the overall system, consisting of the subsystems 1, 2, etc., is possible.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

Optimierter Betrieb einer Elektrolyseanlage und eines elektrischen Energiespeichers Ein Gesamtsystem umfasst als Teilsysteme eine Wasserstoff produzierende Elektrolyseanlage (1) und einen elektrischen Energiespeicher (2). Die Elektrolyseanlage (1) und der elektrische Energiespeicher (2) sind zur Übertragung elektrischer Energie direkt oder indirekt mit einem elektrischen Versorgungsnetz (5) verbunden. Weiterhin sind die Elektrolyseanlage (1) und der elektrische Energiespeicher (2) zur Übertragung elektrischer Energie untereinander miteinander verbunden. Die Elektrolyseanlage (1) weist mehrere Elektrolysenblöcke (10), der elektrische Energiespeicher (2) mehrere Batteriemodule (11). Die Batteriemodule (11) sind über eine jeweilige Wandlerschaltung (12) mit je einem der Elektrolysenblöcke (10) verbunden. Die Elektrolysenblöcke (10) oder die Batteriemodule (11) bilden eine Reihenschaltung, die über eine Umrichtereinheit (4) mit dem Versorgungsnetz (5) verbunden ist.

Description

Beschreibung
Kombination einer Elektrolyseanlage und eines elektrischen Energiespeichers
Gebiet der Technik
Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Gesamtsystem,
- wobei das Gesamtsystem als Teilsysteme eine Wasserstoff produzierende Elektrolyseanlage und einen elektrischen Energiespeicher umfasst
- wobei die Elektrolyseanlage und der elektrische Energiespeicher zur Übertragung elektrischer Energie direkt oder indirekt mit einem elektrischen Versorgungsnetz verbunden sind,
- wobei die Elektrolyseanlage und der elektrische Energiespeicher zur Übertragung elektrischer Energie untereinander miteinander verbunden sind.
Stand der Technik
Aus der US 8 288 888 B2 ist eine Elektrolyseanlage bekannt, die aus einem Windpark gespeist wird. Schwankungen der Lieferung an elektrischer Energie aus dem Windpark werden durch Anpassung des Betriebs der Elektrolyseanlage und/oder Anpassung des Betriebs alternativer Lasten und/oder oder alternativer Energiequellen ausgeglichen. Die alternativen Lasten und die alternativen Energiequellen können Batterien sein. Bei der Ansteuerung der alternativen Lasten und Energiequellen wird die Stromsteuerung der Elektrolysemodule berücksichtigt.
Aus dem Aufsatz „Grüne Energieversorgung der Stahlindustrie“, Stahl und Eisen, August 2022, Seiten 22 bis 24, ist ein Gesamtsystem bekannt, das als Teilsysteme unter anderem eine Wasserstoff produzierende Elektrolyseanlage und einen Energiespeicher umfasst. Die Elektrolyseanlage und der elektrische Energiespeicher sind zur Übertragung elektrischer Energie direkt oder indirekt miteinander und mit einem elektrischen Versorgungsnetz verbunden. Das Gesamtsystem wird von einer Steuereinrichtung gesteuert. Der Steuereinrichtung sind aktuelle Zustände der Teilsysteme bekannt.
Ähnliche Systeme sind auch aus anderen Veröffentlichungen bekannt. Rein beispielhaft können die US 7444 189 B1 und die US 2022/0 302 708 A1 genannt werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Wasserstoff wird - teilweise bereits heute, teilweise zukünftig - in sehr vielen Industriebereichen eingesetzt. Beispiele sind Raffinerien, Düngemittelfabriken, Chemieanlagen und auch die Stahl- und Metallindustrie. Beispielsweise wird in der Stahlindustrie in erheblichem Umfang Wasserstoff benötigt, um bei der Direktreduktion aus Eisenerz Roheisen herstellen zu können, ohne hierbei Kohlendioxid zu erzeugen.
Für die Elektrolyse sind heutzutage drei großtechnisch anwendbare Verfahren bekannt. Diese Verfahren sind die alkalische Elektrolyse, die PEM-Elektrolyse und die Hochtemperatur- Elektrolyse.
Bei der alkalischen Elektrolyse wird durch Stromfluss über eine Kaliumhydroxid-Lösung Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten. Der Prozess läuft bei einer Temperatur von ca. 80 °C. Das Verfahren ist relativ preisgünstig. Eine schnelle Stromänderung ist jedoch nicht ohne weiteres möglich. Weiterhin ist bei einer kalten Kaliumhydroxid-Lösung der Widerstand größer und damit der Wirkungsgrad schlechter. Weiterhin wirkt sich jede Stromänderung auch auf die Temperatur der Kaliumhydroxid-Lösung aus. In der Praxis kann die Leistung bei der alkalischen Elektrolyse daher nur in einem Bereich zwischen ca. 50 % und 100 % eingestellt werden. Weiterhin benötigt man nach einer Abschaltung eine Phase für die Wiedererwärmung der Kaliumhydroxid-Lösung.
Bei der PEM-Elektrolyse besteht der Elektrolyseur aus einer protonendurchlässigen Polymermembran, die kathodenseitig mit einer porösen Elektrode aus auf Kohlenstoff geträgertem Platin und anodenseitig mit metallischen oder als Oxid vorliegenden Edelmetallen (beispielsweise Iridium) beschichtet ist. Auf der Anodenseite wird Wasser zersetzt. Es entstehen Sauerstoff sowie positiv geladene Wasserstoff-Ionen. Letztere wandern durch die Membran auf die Kathodenseite, wo sie sich mit Elektronen zu freiem Wasserstoff kombinieren. Dieser Prozess ist schneller regelbar und auch in einem weiten Bereich einstellbar. Er ist jedoch etwas kostenintensiver.
Bei der Hochtemperatur-Elektrolyse wird mit Temperaturen von mehreren 100 °C gearbeitet, beispielsweise bei 500 °C bis 600 °C. Ein Teil der benötigten Energie wird in Form von Wärme zugeführt. Dadurch wird der Strombedarf verringert. Dieses Verfahren ist insbesondere dann geeignet, wenn von einer anderen Anlage - beispielsweise einem Stahlwerk - Abwärme verfügbar ist, die anderenfalls nicht genutzt werden könnte. Die elektrische Regelbarkeit ist noch etwas mehr eingeschränkt als bei der PEM-Elektrolyse, weil als Separator eine Keramik, Yttriumstabilisiertes Zirkoniumoxid, verwendet wird. Dieses sollte möglichst immer auf hoher Temperatur bleiben. Wenn es abkühlt, durchläuft es eine Phasenumwandlung, wodurch sich Risse bilden können. Daher ist eine Regelung typischerweise nur in einem Bereich zwischen 70 und 100% möglich.
Die Elektrolyseanlage benötigt Gleichstrom. Eine Anbindung der Elektrolyseanlage an das Versorgungsnetz, das üblicherweise als Drehstromnetz ausgebildet ist, erfolgt über eine Umrichtereinheit. Batteriespeicher sind seit langem bekannt. Sie werden dazu benutzt, elektrische Energie temporär zu puffern. Ein derartiger Batteriespeicher wird geladen, wenn die elektrische Energie reichlich vorhanden und daher günstig ist, und entladen, wenn die elektrische Energie in geringerem Umfang vorhanden und daher teurer ist. Auch hier wird eine Umrichtereinheit benötigt, die den Batteriespeicher mit dem Versorgungsnetz verbindet.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Möglichkeiten zu schaffen, mittels derer der Betrieb der Elektrolyseanlage und der Betrieb des Batteriespeichers auf einfache Weise miteinander kombiniert und aufeinander abgestimmt werden können.
Die Aufgabe wird durch ein Gesamtsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Gesamtsystems sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 7.
Erfindungsgemäß wird ein Gesamtsystem der eingangs genannten Art dadurch ausgestaltet,
- dass die Elektrolyseanlage mehrere Elektrolysenblöcke aufweist,
- dass der elektrische Energiespeicher mehrere Batteriemodule aufweist,
- dass die Batteriemodule über eine jeweilige Wandlerschaltung mit je einem der Elektrolysenblöcke verbunden sind und
- dass die Elektrolysenblöcke oder die Batteriemodule eine Reihenschaltung bilden, die über eine Umrichtereinheit mit dem Versorgungsnetz verbunden ist.
Diese Ausgestaltung ist schaltungstechnisch einfach zu realisieren und sehr effizient. Insbesondere kann die Elektrolyseanlage in den Batteriespeicher oder kann umgekehrt der Batteriespeicher in die Elektrolyseanlage integriert werden. Hierbei kann auch ausgenutzt werden, dass die Betriebsspannung einzelner Elektrolysezellen und einzelner Batteriezellen in einer ähnlichen Größenordnung liegt, nämlich im unteren einstelligen Voltbereich.
Vorzugsweise sind die Elektrolysenblöcke jeweils als Parallelschaltung einer Anzahl von Elektrolysensträngen ausgebildet, die ihrerseits jeweils als Reihenschaltung mehrerer Elektrolysezellen ausgebildet sind. Dadurch können die Kapazität und die Leistungsfähigkeit der Elektrolysenblöcke nach Bedarf skaliert werden.
Vorzugsweise verfügen die Elektrolysenblöcke - im Falle der Ausgestaltung als Parallelschaltung von Elektrolysensträngen alternativ die Elektrolysenstränge über eine massive stählerne Außenhülle so dass nur noch elektrische Anschlüsse für Strom und Sensoren sowie Zugänge und Abgänge für einen Elektrolyten und produzierte Gase zugänglich sind. Vorzugsweise weisen die Batteriemodule jeweils eine Reihenschaltung von mehreren Batterieblöcken auf, die ihrerseits jeweils eine Parallelschaltung einer Anzahl von Batteriezellen aufweisen. Dadurch können die Kapazität und die Leistungsfähigkeit der Batteriemodule nach Bedarf skaliert werden.
Vorzugsweise weisen die Batteriemodule jeweils eine Balancierschaltung auf, die innerhalb der in Reihe geschalteten Batterieblöcke des jeweiligen Batteriemoduls einen Ausgleich der Ladezustände der Batterieblöcke des jeweiligen Batteriemoduls bewirkt.
Derartige Balancierschaltungen sind als solche bekannt. Rein beispielhaft kann in der deutschen Wikipedia auf den Eintrag https://de.wikipedia.org/wiki/Balancer und in der englischen Wikipedia auf den Eintrag https://en.wikipedia.org/wiki/Battery_balancing verwiesen werden.
Für die Batterieblöcke selbst sind keine Balancierschaltungen erforderlich. Denn innerhalb des jeweiligen Batterieblocks gleichen sich die Ladezustände der einzelnen Batteriezellen von selbst an. Auch für die Elektrolysenblöcke sind keine Balancierschaltungen erforderlich. Denn es ist unerheblich, ob eine bestimmte Elektrolysezelle etwas mehr Wasserstoff produziert als eine andere Elektrolysezelle.
Die Wandlerschaltungen können nach Bedarf als Synchronwandler, als Aufwärtswandler oder als Abwärtswandler ausgebildet sein. Ein Synchronwandler weist den Vorteil auf, dass er einen bidirektionalen Energieaustausch ermöglicht. Aufwärtswandler und Abwärtswandler ermöglichen zwar nur einen unidirektionalen Energiefluss, sind aber kostengünstiger zu realisieren und einfacher zu betreiben. Wandlerschaltungen der genannten Art und deren Betrieb sind Fachleuten wohlbekannt. Auch hier finden sich beispielsweise Einträge in der deutschen und in der englischen Wikipedia.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert wird. Dabei zeigen:
FIG 1 ein Gesamtsystem,
FIG 2 eine Elektrolyseanlage und einen Energiespeicher,
FIG 3 eine Elektrolyseanlage und einen Energiespeicher,
FIG 4 einen Elektrolysenblock,
FIG 5 ein Batteriemodul,
FIG 6 eine Wandlerschaltung, FIG 7 eine alternative Wandlerschaltung und
FIG 8 eine weitere alternative Wandlerschaltung.
Beschreibung der Ausführungsformen
Gemäß FIG 1 umfasst ein Gesamtsystem als ein Teilsystem eine Elektrolyseanlage 1. Die Elektrolyseanlage 1 produziert im Betrieb Wasserstoff. Das Gesamtsystem umfasst ferner als weiteres Teilsystem einen elektrischen Energiespeicher 2.
Das Gesamtsystem kann weitere Teilsysteme umfassen, beispielsweise eine Anlage der Stahlindustrie oder allgemein eine Elektrizität und/oder Wasserstoff verbrauchende Anlage (nicht dargestellt). In vielen Fällen umfasst das Gesamtsystem weiterhin als weiteres Teilsystem einen Wasserstoffspeicher 3. Der Wasserstoffspeicher 3 kann als Speicher im engeren Sinne ausgebildet sein, also als dedizierter Wasserstoffspeicher. Auch das Leitungsnetz, über das Wasserstoff transportiert wird, weist jedoch eine gewisse Speicherkapazität auf und kann als Wasserstoffspeicher 3 im Sinne der vorliegenden Erfindung dienen. Im Falle eines eigenen, dedizierten Speichers kann der Wasserstoffspeicher 3 alternativ überirdisch oder unterirdisch angeordnet sein. Der Wasserstoffspeicher 3 ist zum Aufnehmen von Wasserstoff direkt oder indirekt mit der Elektrolyseanlage 1 verbunden und zum Abgeben von Wasserstoff direkt oder indirekt mit einer Wasserstoff verbrauchenden Anlage verbunden. Dies ist in FIG 1 durch die Verbindungslinie oberhalb der Elektrolyseanlage 1 und des Wasserstoffspeichers 3 angedeutet. Aufgrund des Wasserstoffspeichers 3 ist der Betrieb der Elektrolyseanlage 1 - insbesondere im Zusammenwirken mit der Wasserstoff verbrauchenden Anlage - flexibler gestaltbar.
Die Elektrolyseanlage 1 und der elektrische Energiespeicher 2 sind zur Übertragung elektrischer Energie untereinander miteinander verbunden. Sie sind weiterhin über eine Umrichtereinheit 4 direkt oder indirekt mit einem elektrischen Versorgungsnetz 5 verbunden. Die Umrichtereinheit 4 ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass über sie die Spannung einstellbar ist, die an die Elektrolyseanlage 1 und den Energiespeicher 2 angelegt wird.
Das Versorgungsnetz 5 ist üblicherweise ein Drehstromnetz und damit ein mehrphasiges Versorgungsnetz. Das Drehstromnetz wird oftmals mit einer Mittelspannung im Bereich von 20 kV bis 30 kV oder mit einer Hochspannung von 110 kV betrieben.
Das Gesamtsystem umfasst weiterhin eine Steuereinrichtung 6. Die Steuereinrichtung 6 ist mit einem Steuerprogramm 7 programmiert. Das Steuerprogramm 7 umfasst Maschinencode 8, der von der Steuereinrichtung 6 abarbeitbar ist. Aufgrund der Programmierung mit dem Steuerprogramm 7 arbeitet die Steuereinrichtung 6 den Maschinencode 8 ab. Die Abarbeitung des Maschinencodes 8 durch die Steuereinrichtung 6 bewirkt, dass die Steuereinrichtung 6 das Gesamtsystem steuert. Die Elektrolyseanlage 1 weist - in einer Kombination von elektrischen Serien- und Parallelschaltungen - eine Vielzahl von Elektrolysezellen (= kleinstmögliche Einheit) auf. Die Produktion an Wasserstoff einer jeweiligen Elektrolysezelle ist im wesentlichen proportional zum fließenden Strom. Die über einer einzelnen Elektrolysezelle abfallende Spannung ist eine Funktion des Stroms. Die Spannung kann zusätzlich von der Temperatur der Elektrolyseflüssigkeit und dem Verschleiß einer Membran der jeweiligen Elektrolysezelle abhängen. Die Effizienz, mit der eine jeweilige Elektrolysezelle arbeitet, korrespondiert im wesentlichen mit der über der jeweiligen Elektrolysezelle abfallenden Spannung. Der Verschleiß wiederum ist abhängig von der Temperatur und dem Strom.
Der Energiespeicher 2 weist - in einer Kombination von elektrischen Serien- und Parallelschaltungen - eine Vielzahl von Batteriezellen (= kleinstmögliche Einheit) auf. Die Spannung einer einzelnen Batteriezelle ist von der Ladung der jeweiligen Batteriezelle und - wegen des Innenwiderstands - von dem Strom durch die jeweilige Batteriezelle abhängig. Der Ladezustand der jeweiligen Batteriezelle ergibt sich, ausgehend von einem bekannten Anfangswert, durch Integration über den Strom. Der Innenwiderstand kann beispielsweise von der Temperatur und dem Verschleiß der jeweiligen Batteriezelle abhängen, gegebenenfalls auch vom Ladezustand. Der Verschleiß ist ebenfalls abhängig vom Strom durch die jeweilige Batteriezelle und vom Ladezustand der jeweiligen Batteriezelle abhängig. Gegebenenfalls kann auch eine Abhängigkeit von weiteren Größen bestehen, beispielsweise vom bereits vorhandenen Verschleiß oder von der Temperatur.
Nachfolgend werden in Verbindung mit den FIG 2 und 3 zwei Ausgestaltungen der beiden grundlegenden Teilsysteme 1 , 2 erläutert, also der Elektrolyseanlage 1 und des Energiespeichers 2. Bei den Ausgestaltungen gemäß den FIG 3 und 4 sind die Elektrolyseanlage 1 und der Energiespeicher 2, soweit es die elektrische Verschaltung betrifft, ineinander integriert.
Konkret weist die Elektrolyseanlage 1 gemäß den FIG 2 und 3 mehrere Elektrolysenblöcke 10 auf. Weiterhin weist der Energiespeicher 2 mehrere Batteriemodule 11 auf. Die Batteriemodule 11 sind über eine jeweilige Wandlerschaltung 12 mit je einem der Elektrolysenblöcke 10 verbunden. Die Anzahl an Elektrolysenblöcken 10 kann nach Bedarf bestimmt sein. Beispielsweise kann sie bei 10, 15, 20, 50 oder 100 liegen. Auch andere Anzahlen sind möglich, sei es unterhalb von 10, sei es oberhalb von 100, sei es zwischen 10 und 100. In der Regel wird die Anzahl an Elektrolysenblöcken 10 jedoch zwischen 10 und 30 liegen. Unabhängig von der Anzahl an Elektrolysenblöcken 10 ist aber stets auch die gleiche Anzahl an Batteriemodulen 11 und an Wandlerschaltungen 12 vorhanden, so dass jeweils genau diese Anzahl an Gruppen, bestehend jeweils aus einem (1) Elektrolysenblock 10, einem (1) Batteriemodul 11 und einer (1) Wandlerschaltung 12, gebildet werden kann. Bei der Ausgestaltung gemäß FIG 2 bilden die Elektrolysenblöcke 10 eine (elektrische) Reihenschaltung, die über die Umrichtereinheit 4 mit dem Versorgungsnetz 5 verbunden ist. Die Reihenschaltung der Elektrolysenblöcke 10 ist also über die Umrichtereinheit 4 direkt mit dem Versorgungsnetz 5 verbunden. Die Batteriemodule 11 sind bei der Ausgestaltung gemäß FIG 2 hingegen nur über die jeweilige Wandlerschaltung 12 und damit indirekt mit dem Versorgungsnetz 5 verbunden. Die Batteriemodule 11 sind bei der Ausgestaltung gemäß FIG 2 somit sozusagen Anhängsel des jeweiligen Elektrolysenblocks 10. Bei der Ausgestaltung gemäß FIG 3 ist es umgekehrt. Hier bilden die Batteriemodule 11 eine (elektrische) Reihenschaltung, die über die Umrichtereinheit 4 mit dem Versorgungsnetz 5 verbunden ist. Bei der Ausgestaltung gemäß FIG 4 sind somit die Elektrolysenblöcke 10 sozusagen Anhängsel des jeweiligen Batteriemoduls 11.
Die Elektrolysenblöcke 10 sind gemäß FIG 4 jeweils als Parallelschaltung einer Anzahl von Elektrolysensträngen 13 ausgebildet. Die Anzahl an Elektrolysensträngen 13 pro Elektrolysenblock 10 kann bei (nur) 1 liegen. In diesem Fall ist die Parallelschaltung entartet. Oftmals weisen die Elektrolysenblöcke 10 jedoch jeweils mehrere Elektrolysenstränge 13 auf, so dass eine echte Parallelschaltung existiert. In der Regel ist die Anzahl an Elektrolysensträngen 13 pro Elektrolysenblock 10 für alle Elektrolysenblöcke 10 die gleiche. In der Regel wird die Anzahl an Elektrolysensträngen 13 pro Elektrolysenblock 10 zwischen 10 und 30 liegen.
Unabhängig von der Anzahl an Elektrolysensträngen 13 sind die Elektrolysenstränge 13 gemäß FIG 4 ihrerseits jeweils als Reihenschaltung mehrerer Elektrolysezellen 14 ausgebildet. Die Elektrolysezellen 14 des jeweiligen Elektrolysenstrangs 13 sind sowohl elektrisch als auch mechanisch und fluidtechnisch hintereinander angeordnet. Eine einzelne Elektrolysezelle 14 ist die kleinstmögliche Baueinheit. Sie ist insbesondere durch ihre elektrochemische Betriebsspannung charakterisiert, die meist im unteren einstelligen Voltbereich liegt, beispielsweise zwischen 1 ,5 V und 2,0 V.
Die Anzahl an Elektrolysezellen 14 pro Elektrolysenstrang 13 kann nach Bedarf bestimmt sein. Beispielsweise kann sie bei 50, 80, 100, 120, 150 oder 200 Elektrolysezellen 14 liegen. Auch andere Anzahlen sind möglich, sei es unterhalb von 50, sei es oberhalb von 200, sei es zwischen 50 und 200. Innerhalb des jeweiligen Elektrolysenblocks 10 ist die Anzahl an Elektrolysezellen 14 pro Elektrolysenstrang 13 einheitlich dieselbe. Von Elektrolysenblock 10 zu Elektrolysenblock 10 kann sie variieren. In der Regel wird die Anzahl an Elektrolysezellen 14 pro Elektrolysenstrang 13 jedoch zwischen 50 und 250 liegen, insbesondere zwischen 100 und 200.
Das Produkt der Anzahl an Elektrolysenblöcken 10 und der Anzahl an Elektrolysezellen 14 pro Elektrolysenstrang 13 liegt oftmals im Bereich zwischen 500 und 3000, insbesondere zwischen 1000 und 2000. Es ist möglich, dass auf das Innere der Elektrolysenblöcke 10 oder der Elektrolysenstränge 13 nicht ohne weiteres zugegriffen werden kann. Beispielsweise können die Elektrolysenblöcke 10 oder die Elektrolysenstränge 13 über eine massive stählerne Außenhülle verfügen, so dass nur noch elektrische Anschlüsse für Strom und Sensoren sowie Zugänge und Abgänge für den Elektrolyten und produzierte Gase zugänglich sind. Aufgrund der Anordnung in der Außenhülle kann die Elektrolyse unter Druck erfolgen, so dass beispielsweise Energie für eine nachfolgende Kompression des Wasserstoffs eingespart werden kann. Anderenfalls wäre diese Energie beispielsweise zum Einspeichern des Wasserstoffs in den Wasserstoffspeicher 3 erforderlich.
In ähnlicher Weise weisen die Batteriemodule 11 gemäß FIG 5 jeweils eine Reihenschaltung von mehreren Batterieblöcken 15 auf. Die Anzahl an Batterieblöcken 15 pro Batteriemodul 11 kann nach Bedarf bestimmt sein. Beispielsweise kann sie bei 50, 80, 100, 120, 150 oder 200 Batterieblöcken 15 liegen. Auch andere Anzahlen sind möglich, sei es unterhalb von 50, sei es oberhalb von 200, sei es zwischen 50 und 200. Die Anzahl an Batterieblöcken 15 ist oftmals für alle Batteriemodule 11 dieselbe. Dies ist jedoch nicht zwingend. Vielmehr kann die Anzahl an Batterieblöcken 15 von Batteriemodul 11 zu Batteriemodul 11 variieren. In der Regel wird die Anzahl an Batterieblöcken 15 pro Batteriemodul 11 jedoch zwischen 50 und 250 liegen, insbesondere zwischen 100 und 200.
Die Batterieblöcke 15 wiederum weisen eine Parallelschaltung einer Anzahl von Batteriezellen 16 auf. Die Anzahl an Batteriezellen 16 pro Batterieblock 15 kann bei (nur) 1 liegen. In diesem Fall ist die Parallelschaltung entartet. Oftmals weisen die Batterieblöcke 15 jedoch jeweils mehrere Batteriezellen 16 auf, so dass eine echte Parallelschaltung existiert. In der Regel ist die Anzahl an Batteriezellen 16 pro Batterieblock 15 für alle Batterieblöcke 15 die gleiche. In der Regel wird die Anzahl an Batteriezellen 16 pro Batterieblock 15 jedoch zwischen 50 und 500 liegen, insbesondere zwischen 100 und 400.
Eine einzelne Batteriezelle 16 ist die kleinstmögliche Baueinheit. Sie ist insbesondere durch ihre elektrochemische Betriebsspannung charakterisiert, die meist ebenfalls im unteren einstelligen Voltbereich liegt, beispielsweise zwischen 1 ,2 V und 5,0 V, insbesondere bei einer Li-Zelle zwischen 3,2 V und 4,2 V.
In der Regel weisen die Batteriemodule 11 jeweils eine Balancierschaltung 17 auf. Die jeweilige Balancierschaltung 17 bewirkt innerhalb der in Reihe geschalteten Batterieblöcke 15 des jeweiligen Batteriemoduls 11 einen Ausgleich der Ladezustände der Batterieblöcke 15 des jeweiligen Batteriemoduls 11. Balancierschaltungen 17 sind als solche bekannt.
Die Wandlerschaltungen 12 können nach Bedarf ausgebildet sein. Beispielsweise können die Wandlerschaltungen 12 entsprechend der Darstellung in FIG 6 als Synchronwandler ausgebildet sein. In diesem Fall umfasst die jeweilige Wandlerschaltung 12 zwei elektronische Schalt- elemente 18 (gemäß der Darstellung in FIG 6 MOSFETs, es sind aber auch andere Halbleiterschalter möglich) und eine Drossel 19. Der in FIG 6 mit dargestellte Kondensator 20 ist oftmals vorhanden, aber nicht zwingend. Alternativ können die Wandlerschaltungen 12 entsprechend den Darstellungen in den FIG 7 und 8 als Aufwärtswandler oder als Abwärtswandler ausgebildet. In der Regel sind die Wandlerschaltungen 12 einheitlich ausgebildet.
Bei einer Ausgestaltung der Wandlerschaltungen 12 als Synchronwandler ist in der Regel die Einheit mit der höheren Betriebsspannung eingangsseitig der jeweiligen Wandlerschaltung 12 angeordnet. Dies kann je nach Auslegung der Elektrolysenblöcke 10 und der Batteriemodule 11 entweder der jeweilige Elektrolysenblock 10 oder das jeweilige Batteriemodul 11 sein. Bei einer Ausgestaltung der Wandlerschaltungen 12 als Aufwärtswandler oder Abwärtswandler ist die Richtung des Energieflusses festgelegt. In diesem Fall muss stets das jeweilige Batteriemodul 11 eingangsseitig der jeweiligen Wandlerschaltung 12 angeordnet sein. Die Ausgestaltungen der Wandlereinrichtungen 12 als Aufwärtswandler oder Abwärtswandler ist insbesondere bei der Ausgestaltung gemäß FIG 3 möglich.
Bei den Ausgestaltungen gemäß den FIG 2 und 3 gibt es - bei n Gruppen, die jeweils aus einem (1) Elektrolysenblock 10, einem (1) Batteriemodul 11 und einer (1) Wandlerschaltung 12 bestehen, n+1 einzustellende Steuergrößen. Eine der Steuergrößen ist die Betriebsweise der Umrichtereinheit 4. Deren Ansteuerung legt fest, in welchem Ausmaß der Elektrolyseanlage 1 und dem Energiespeicher 2 insgesamt Energie zugeführt wird (wobei dieser Wert kurzzeitig auch negativ sein kann). Die anderen n Steuergrößen sind die Betriebsweisen der Wandlerschaltungen 12, insbesondere deren Pulsweitenverhältnisse. Die Betriebsweisen der Wandlerschaltungen 12 legen fest, in welchem Ausmaß der von der Umrichtereinheit 4 abgegebene Strom auf den jeweiligen Elektrolysenblock 10 und das jeweilige Batteriemodul 11 aufgeteilt wird. Die Aufteilung kann einheitlich für die n Gruppen einheitlich dieselbe sein. Dies ist aber nicht zwingend erforderlich. In jedem Fall sollen die Umrichtereinheit 4 und die Wandlerschaltungen 12 so angesteuert werden, dass an der aus der Elektrolyseanlage 1 und dem Energiespeicher 2 bestehenden Einheit eine bestimmte Spannung anliegt und die Ströme der Batteriemodule 11 bestimmte Werte aufweisen.
Es ist möglich, einen rein gesteuerten Betrieb vorzusehen. Vorzugsweise werden jedoch die Spannungen und Ströme, soweit erforderlich, erfasst und in entsprechende Regelkreise für die Ermittlung der Ansteuerungen der Umrichtereinheit 4 und der Wandlerschaltungen 12 eingebunden.
Der erläuterte, ineinander verschachtelte Aufbau der Elektrolyseanlage 1 und des Energiespeichers 2 ist insbesondere deshalb von Vorteil, weil er modular ist. Wenn - beispielsweise - ein einzelner Elektrolysenblock 10 und/oder ein einzelnes Batteriemodul 11 und/oder eine einzelne Wandlerschaltung 12 gewartet, repariert oder ausgetauscht werden muss, so kann die entspre- chende Gruppe über Schalteinrichtungen (nicht dargestellt) überbrückt werden. Die anderen Gruppen könnten hingegen weiter betrieben werden, wobei möglicherweise zwar die Ansteuerung der Umrichtereinheit 4 und/oder der verbleibenden Wandlerschaltungen 12 angepasst werden muss, oftmals jedoch unverändert oder nahezu unverändert beibehalten werden kann. Vor allem aber können die Elektrolyseanlage 1 und der Energiespeicher 2 insgesamt weiter betrieben werden.
Die vorliegende Erfindung weist viele Vorteile auf. Insbesondere ist eine umfassende Optimierung des Betriebs des Gesamtsystems, bestehend aus den Teilsystemen 1 , 2, usw., möglich.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste
1 Elektrolyseanlage
2 Energiespeicher
3 Wasserstoffspeicher
4 Umrichtereinheit
5 Versorgungsnetz
6 Steuereinrichtung
7 Steuerprogramm
8 Maschinencode
10 Elektrolysenblöcke
11 Batteriemodule
12 Wandlerschaltungen
13 Elektrolysenstränge
14 Elektrolysezellen
15 Batterieblöcke
16 Batteriezellen
17 Balancierschaltung
18 elektronische Schaltelemente
19 Drossel
20 Kondensator

Claims

Ansprüche
1. Gesamtsystem, das als Teilsysteme eine Wasserstoff produzierende Elektrolyseanlage (1) und einen elektrischen Energiespeicher (2) umfasst,
- wobei die Elektrolyseanlage (1) und der elektrische Energiespeicher (2) zur Übertragung elektrischer Energie direkt oder indirekt mit einem elektrischen Versorgungsnetz (5) verbunden sind,
- wobei die Elektrolyseanlage (1) und der elektrische Energiespeicher (2) zur Übertragung elektrischer Energie untereinander miteinander verbunden sind,
- wobei die Elektrolyseanlage (1) mehrere Elektrolysenblöcke (10) aufweist,
- wobei der elektrische Energiespeicher (2) mehrere Batteriemodule (11) aufweist,
- wobei die Batteriemodule (11) übereine jeweilige Wandlerschaltung (12) mit je einem der Elektrolysenblöcke (10) verbunden sind und
- wobei die Elektrolysenblöcke (10) oder die Batteriemodule (11) eine Reihenschaltung bilden, die über eine Umrichtereinheit (4) mit dem Versorgungsnetz (5) verbunden ist.
2. Gesamtsystem nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Elektrolysenblöcke (10) jeweils als Parallelschaltung einer Anzahl von Elektrolysensträngen (13) ausgebildet sind, die ihrerseits jeweils als Reihenschaltung mehrerer Elektrolysezellen (14) ausgebildet sind.
3. Gesamtsystem nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Elektrolysenstränge (13) über eine massive stählerne Außenhülle verfügen, so dass nur noch elektrische Anschlüsse für Strom und Sensoren sowie Zugänge und Abgänge für einen Elektrolyten und produzierte Gase zugänglich sind.
4. Gesamtsystem nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Elektrolysenblöcke (10) über eine massive stählerne Außenhülle verfügen, so dass nur noch elektrische Anschlüsse für Strom und Sensoren sowie Zugänge und Abgänge für einen Elektrolyten und produzierte Gase zugänglich sind.
5. Gesamtsystem nach einem der obigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Batteriemodule (11) jeweils eine Reihenschaltung von mehreren Batterieblöcken (15) aufweisen, die ihrerseits jeweils eine Parallelschaltung einer Anzahl von Batteriezellen (16) aufweisen.
6. Gesamtsystem nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Batteriemodule (11) jeweils eine Balancierschaltung (17) aufweisen, die innerhalb der in Reihe geschalteten Batterieblöcke (15) des jeweiligen Batteriemoduls (11) einen Ausgleich der Ladezustände der Batterieblöcke (15) des jeweiligen Batteriemoduls (11) bewirkt.
7. Gesamtsystem nach einem der obigen Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Wandlerschaltungen (12) als Synchronwandler, als Aufwärtswandler oder als Ab- wärtswandler ausgebildet sind.
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