EP4685274A1 - Verfahren zum bestimmen einer temperatur für den betrieb einer elektrolyseanlage - Google Patents

Verfahren zum bestimmen einer temperatur für den betrieb einer elektrolyseanlage

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EP4685274A1
EP4685274A1 EP24020244.0A EP24020244A EP4685274A1 EP 4685274 A1 EP4685274 A1 EP 4685274A1 EP 24020244 A EP24020244 A EP 24020244A EP 4685274 A1 EP4685274 A1 EP 4685274A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrolysis
measurement data
several
plant
temperature
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24020244.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Franciska Engel
Volker Göke
Oliver SLABY
Christoph Sebastian ULMER
Harald Klein
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.)
Linde GmbH
Technische Universitaet Muenchen
Original Assignee
Linde GmbH
Technische Universitaet Muenchen
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 Linde GmbH, Technische Universitaet Muenchen filed Critical Linde GmbH
Priority to EP24020244.0A priority Critical patent/EP4685274A1/de
Publication of EP4685274A1 publication Critical patent/EP4685274A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/02—Process control or regulation
    • C25B15/021—Process control or regulation of heating or cooling
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/02—Process control or regulation
    • C25B15/023—Measuring, analysing or testing during electrolytic production
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/02—Process control or regulation
    • C25B15/023—Measuring, analysing or testing during electrolytic production
    • C25B15/025—Measuring, analysing or testing during electrolytic production of electrolyte parameters
    • C25B15/027—Temperature

Definitions

  • the invention relates to a method for determining a temperature for the operation of an electrolysis plant in which water is converted into oxygen and hydrogen in one or more electrolysis cells, as well as a computing system for this purpose and an electrolysis plant which is used, for example, for the production of hydrogen.
  • Hydrogen can be produced using electrolysis, a process in which water is split into oxygen and hydrogen using electrical energy. This is also known as water electrolysis.
  • electrolysis a process in which water is split into oxygen and hydrogen using electrical energy.
  • PEM electrolysis proton exchange membrane electrolysis
  • PEM electrolysis plants or PEM electrolyzers are also used.
  • temperature is generally considered to be the block temperature, i.e., the temperature of the stack. Within a block, however, the temperature is usually not perfectly homogeneous; rather, temperatures above and below the block temperature occur locally.
  • the membrane typically has a higher temperature than the average temperature of the cell.
  • the membrane temperature is crucial for the degradation mechanisms, especially in the case of a so-called Nafion TM membrane, since the material is known to decompose more quickly at higher temperatures (Nafion is a perfluorinated copolymer containing a sulfo group as its ionic group). Therefore, the temperatures in the electrolysis cell should not be too high.
  • the temperature within the electrolysis cell cannot be measured, or only very inadequately.
  • the task arises to improve the operation of an electrolysis plant, especially a PEM electrolysis plant, in particular to provide a better way to avoid excessively high temperatures and thus reduce degradation.
  • the invention relates to water electrolysis and electrolysis plants, or rather their operation.
  • Such electrolysis plants typically serve to produce or obtain hydrogen by means of electrolysis.
  • water electrolysis water is converted (split) into hydrogen and oxygen; that is, in addition to hydrogen, oxygen is always also obtained or produced simultaneously.
  • Examples of water electrolysis include alkaline electrolysis (AEL) and proton exchange membrane electrolysis (PEM electrolysis).
  • AEL alkaline electrolysis
  • PEM electrolysis proton exchange membrane electrolysis
  • SOEC solid oxide electrolysis
  • AEM electrolysis anion exchange membrane electrolysis
  • PEM electrolysis for example, water, and in particular demineralized water, is supplied as the feed medium to one or more electrolysis cells, each containing a proton exchange membrane (PEM) – hereinafter also simply referred to as the membrane – in which the feed medium, i.e., the water, is converted (split) into hydrogen and oxygen.
  • PEM proton exchange membrane
  • a fluid stream containing water is then fed from the oxygen separator to one or more electrolysis cells. This is therefore a closed loop, at least with regard to the water.
  • a hydrogen-containing fluid stream is fed from one side of the hydrogen side of one or more electrolysis cells to a hydrogen separator. Unlike the oxygen-containing fluid stream, the proportion of water in the hydrogen-containing fluid stream is typically significantly lower, although it may still contain some water.
  • the hydrogen separator separates the hydrogen from the water, producing a so-called hydrogen product stream, which is typically intended for further use and can initially be stored for this purpose.
  • such an electrolysis system has one or more electrolysis cells, although typically several are provided. Furthermore, several such electrolysis cells can be combined into a so-called stack; the electrolysis system can then have multiple stacks. Each electrolysis cell then has a membrane.
  • temperature is usually considered to be the stack block temperature or the temperature at the water outlet of the stack on the anode side. These temperatures can typically be measured reliably and with sufficient accuracy using sensors.
  • the membrane typically has a higher temperature than the stack or the electrolysis cell itself.
  • a corresponding temperature profile within an electrolysis cell is shown in the figures.
  • the temperature of the membrane which is particularly relevant for degradation, or more generally within an electrolysis cell or stack, cannot be measured, or can only be measured inadequately or with great difficulty using physical sensors.
  • a new method for determining the temperature of or within an electrolysis cell. This involves receiving real-world measurement data from one or more operating parameters of the electrolysis system, for example, in a processing computer system such as a plant control unit. This real-world measurement data is acquired during operation of the electrolysis system using one or more sensors (primarily physical sensors). Such operating parameters can include, for example, temperatures outside the electrolysis cell, which, as mentioned above, are simple and readily available. Other operating parameters, such as voltage and current for operating the electrolysis cell, or water or gas flow rates, are also suitable.
  • virtual measurement data for the cell temperature of one or at least one of the several electrolysis cells are determined. This virtual cell temperature data is then provided or output for the operation of the electrolysis system. While the actual measurement data is acquired using sensors, the virtual measurement data is not actual measured data but rather hypothetical data that would be measured—at least approximately—if they were measurable by sensors.
  • control data for the operation of the electrolysis system can be determined and output to initiate the operation of the electrolysis system according to the control data.
  • the steps mentioned can be carried out, for example, on the executing computer system such as the plant control system; that is, the real measured values are received there, the virtual measured values are determined, and then the control data is determined, which is then output, for example, as control signals to relevant components such as an inverter for the operation of an electrolysis cell and/or valves for regulating water and/or gas flows.
  • model is also executed on the computer system, i.e., the calculations to be performed with it are carried out there.
  • the model and the calculations to be performed with it are executed on a computer system separate from the plant control system, and the virtual measurement data – as well as any real measurement data – are then transferred to the plant control system.
  • the model is operated and executed in parallel and simultaneously with the operation of the electrolysis plant. In this way, This allows the necessary temperatures of the electrolysis cell to be determined in real time and used for ongoing operation.
  • the cell temperature comprises the temperature of the proton exchange membrane of one or at least one of the several electrolysis cells. In another embodiment, the cell temperature comprises a temperature profile across a structure of one or at least one of the several electrolysis cells, i.e., a kind of temperature profile as a function of position within the electrolysis cell or at least along a path through the electrolysis cell.
  • electrolysis cells In the case of multiple electrolysis cells, the same model can be used for all of them. However, an individual model for each or at least some of the multiple electrolysis cells is also conceivable, for example, if there are different electrolysis cells; electrolysis cells may differ from each other in size or age, for instance.
  • This model is, in particular, a so-called digital twin, which depicts the electrolysis cell as faithfully as possible, including its structure and assembly. Further details will be explained in relation to the figures.
  • the load change or the rate of load change can now be controlled so that a certain temperature in the electrolysis cell or around the membrane is not exceeded. Control is possible, for example, via the temperature of the inlet current to the anode circuit, any existing cooling circuits, or by limiting the rate of load change. However, a desired control parameter—the temperature in the cell—which is difficult or impossible to measure directly, can now also be used.
  • initiating the operation of the electrolysis system according to the control data includes adjusting the operation of one or at least one of the several electrolysis cells depending on the cell temperature, as already indicated. In other words, it is possible to react to potentially excessively high or impending excessively high temperatures in the electrolysis cell. In particular, excessively high temperatures can be counteracted.
  • the rate of load change of one or at least one electrolysis cell can be limited.
  • the temperature of the water or cooling water in one or at least one electrolysis cell can also be lowered, particularly temporarily.
  • the flow rate of water or cooling water in one or at least one electrolysis cell can also be increased or operated in pulsed mode; this too can be done temporarily.
  • Heat losses from the electrolysis system (to the environment) can also be increased, possibly temporarily.
  • the pressure of raw hydrogen and/or raw oxygen at the outlet of one or at least one electrolysis cell can be lowered, possibly temporarily. All these measures counteract overheating in the electrolysis cell, particularly of the membrane, and thus reduce degradation.
  • Optimal efficiency and load change rate with minimized degradation can be achieved by minimizing the overtemperature or peak temperature in the membrane.
  • virtual measurement data for one or at least one of the selected operating parameters are determined based on the model and the real measurement data of that one or at least one of the selected operating parameters.
  • the measurement data is then compared with the virtual measurement data, and, if necessary, the model is adjusted based on any difference between the measurement data and the virtual measurement data.
  • the model can always be kept as close to reality as possible.
  • state estimation or a suitable algorithm such as a Kalman filter, can be used. This comparison and adjustment can be performed for different operating points.
  • the model comparison is carried out continuously or repeatedly during the operation of the electrolysis plant.
  • a computing system i.e., a data processing system
  • the computing system can be a computer or server, e.g., in a so-called cloud or cloud environment, or, as already mentioned, a plant control system or part thereof.
  • the invention also relates to an electrolysis plant with such a computing system. With regard to the electrolysis plant and its further details, reference is also made to the preceding explanations.
  • Figure 100 schematically depicts an electrolysis plant in an embodiment in which a method according to the invention can also be carried out.
  • This is, by way of example, an electrolysis plant for water electrolysis using PEM.
  • an electrolysis plant for water electrolysis using AEM or SOEC is also conceivable.
  • the electrolysis plant shown here, and generally described within the scope of the invention is an industrial-scale electrolysis plant for, for example, the industrial-scale production of hydrogen.
  • a typical power output of such an electrolysis plant is, for example, more than 10 MW or even more than 20 MW.
  • the electrolysis system 100 features two electrolysis units or stacks 110a and 110b as examples, of which only stack 110a is shown in more detail, namely with two electrolysis cells 110.1 and 110.2, each containing a proton exchange membrane (PEM) 112.
  • the PEM 112 separates each electrolysis cell into an oxygen side 114 and a hydrogen side 116.
  • the oxygen sides 114 and the hydrogen sides 116 can be considered together as the oxygen side and hydrogen side, respectively, of a stack or of the entire electrolysis system.
  • Stack 110b can be constructed similarly to Stack 110a, and further stacks of this type can also be provided.
  • an electrolysis system can have one or more electrolysis cells. In the case of multiple electrolysis cells, several of them—for example, two, four, six, eight, or more—are arranged as a stack and, for example, supplied with electrical energy together. For instance, 40, 100, or even up to 400 or more electrolysis cells per stack are conceivable.
  • the electrolysis system 100 also includes a vessel 120, which serves as an oxygen separator or oxygen-water separator.
  • the oxygen separator 120 is connected via a fluid connection to the stacks 110a, 110b, and to each of the electrolysis cells 110.1, 110.2 within the stacks. This allows a fluid flow b to be pumped from the oxygen separator 120 to the electrolysis cells, for example, by means of a pump 124, via a suitable fluid connection 122, such as pipes.
  • a suitable fluid connection 122 such as pipes.
  • several fluid connections i.e., separate lines
  • one fluid connection may be provided for two or four stacks.
  • the stacks or electrolysis cells are also connected to the oxygen separator 120 via a fluid connection 126, e.g., pipes.
  • a fluid flow c can be pumped from the electrolysis cells, specifically the oxygen side 114 of each electrolysis cell, to the oxygen separator 120 through the fluid connection 126; the pump 124 may also be sufficient for this purpose.
  • several fluid connections i.e., separate lines
  • one fluid connection may be provided for two or four stacks.
  • the electrolysis system 100 includes an additional container 130, which serves as a hydrogen separator or hydrogen-water separator.
  • the stacks or electrolysis cells are connected to the hydrogen separator 130 via a fluid connection 132, e.g., pipes.
  • a fluid flow e from the electrolysis cells, specifically the hydrogen side 116 of each electrolysis cell, can be conveyed to the hydrogen separator 130 via the fluid connection 132.
  • several fluid connections i.e., separate lines
  • one fluid connection may be provided for two or four electrolysis cells. Multiple hydrogen separators are also conceivable.
  • the fluid stream b which contains water, is pumped from the oxygen separator 120 to the stacks or their electrolysis cells. There, the water is converted into oxygen and hydrogen. For this purpose, An electrical voltage is applied to the electrolysis cells.
  • the hydrogen is electrochemically transported through the PEM 112 to the hydrogen side 116 and can then be fed from there, possibly mixed with steam and a liquid water phase, as a hydrogen-containing fluid stream e to the hydrogen separator 130. There, the hydrogen can be separated and, for example, discharged or stored as a stream f for further use. Water separated in the hydrogen separator 130 can, for example, be treated (not shown here) and then returned to the main water circuit as a fluid stream g.
  • PEM 112 is only present in PEM electrolysis; in AEM or SOEC electrolysis, a ceramic membrane may be used instead.
  • the oxygen remains on the oxygen side 114 along with most of the water.
  • the resulting fluid flow c therefore contains water and oxygen – it is an oxygen-containing fluid flow.
  • the fluid flow c is fed to the oxygen separator 120.
  • fluid stream c may also contain a certain small proportion of hydrogen.
  • fluid stream e may also contain a certain small proportion of oxygen.
  • make-up water Since water is converted into oxygen and hydrogen in the electrolysis cells and the oxygen and hydrogen are removed, the amount of water decreases and therefore - in order to maintain continuous operation - new water (so-called make-up water) can be supplied externally as electricity a.
  • This water can be pre-treated, for example (not shown here), which is not relevant to the present invention.
  • Water separated in the hydrogen separator 130 i.e., the fluid stream g already mentioned, can be fed to stream a and then back to the oxygen separator 120, possibly also after prior treatment.
  • oxygen is separated from the water in the oxygen separator 120; the oxygen separated or separated in this process can be discharged as an oxygen stream d e.g. for further use and possibly stored.
  • the electrolysis plant 100 includes a computer system 150 designed as a plant control system, as well as a control unit 152 for operating the electrolysis cells or stacks and a control unit 154 for controlling, for example, water flow rates and, if necessary indirectly, temperatures.
  • a control unit 152 for operating the electrolysis cells or stacks
  • a control unit 154 for controlling, for example, water flow rates and, if necessary indirectly, temperatures.
  • Corresponding sensors can provide measured values or data for this purpose.
  • the control unit 152 can, for example, include an inverter or be part of one itself, which allows, in particular, the specification of an electrical load and thus also load changes.
  • control unit 150 various calculations can be performed within the scope of the invention, in particular determining control data for the operation of the electrolysis plant. These can then be transferred to the control unit 152 and the control unit 154.
  • FIG 2a A schematic cross-section through an electrolysis cell 210 is shown.
  • the electrolysis cell is depicted in a diagram where a temperature 200 is plotted against a position 202 through the electrolysis cell.
  • One or more such electrolysis cells 210 can be used, for example, in the electrolysis system 100 according to Figure 1 be used.
  • the electrolysis cell 210 has a membrane or PEM 212 that separates the electrolysis cell 210 into an oxygen side 214 and a hydrogen side 216.
  • the oxygen side 214 comprises a porous transport layer 240, a flow channel 242 for water or oxygen, and a bipolar plate 244.
  • the bipolar plate 244 serves as an electrode, in this case the anode.
  • the hydrogen side 216 comprises a porous transport layer 240', a flow channel 242' for water or hydrogen, and a bipolar plate 244'.
  • the bipolar plate 244' serves as an electrode 241', in this case the cathode.
  • the membrane 212 itself can be... Both sides may have a coating applied, and the same membrane can also be catalytically active in or between the individual layers.
  • Figure 260 now shows the temperature profile through electrolysis cell 210; this could, for example, be a steady-state temperature profile. As has been shown, the temperature at or around the membrane is significantly higher than at the outer edges.
  • FIG 2a Is the electrolysis cell 210 made of Figure 2a This is shown again, also with curve 260; it should be noted that axis 200 is slightly shifted. A curve 264 is also shown here, which could also represent a transient temperature profile. Unlike curve 262, however, the maximum temperature at the membrane does not exceed the value of curve 260. Instead, the temperature is lower further out. This can be achieved, for example, by increasing the water flow.
  • the maximum temperature allowed here does not necessarily have to be the one from steady-state operation, but can also be another appropriate value determined by other means.
  • FIG 3 A schematic flow diagram for a process in one embodiment is shown.
  • Several components of the electrolysis plant 100 are shown, namely the plant control unit 150, the control unit 152, and the control unit 154, and, by way of example, the stack 110a with the electrolysis cells.
  • Corresponding fluid flows b, c, and 3 are also shown as in Figure 1 shown. For this, reference is made to the explanations of the Figure 1 referred.
  • Model 300 electrolysis cell is shown.
  • the Model 300 can be used as an electrolysis cell, such as in... Figure 1 or 2 shown as a so-called digital twin, depicting it as accurately as possible.
  • the [unclear text] can be used to illustrate the [unclear text].
  • Figure 2 The structure shown should be replicated in order to determine the temperature profile that develops in the electrolysis cell and through its cross-section.
  • control unit 150 receives control data for the operation of the electrolysis plant. Examples of such control data are shown with 330 and 332. Control data 330 is used to control the electrical load via the control unit 152. Control data 332 is used to control the flow rate of water, here the fluid flow b, via the control unit 154.
  • the measurement data of some, or possibly all, of the various operating parameters of the electrolysis plant are used to determine the temperature in the electrolysis cell or all electrolysis cells.
  • the corresponding measurement data are designated here as 312 and may be part of the measurement data 310. However, it is also conceivable that the measurement data 312 includes values for operating parameters that are not contained in the measurement data 310.
  • Real measurement data 310, 312 are received, which were recorded during operation of the electrolysis plant by means of one or more sensors. Based on the model 300 and the real measurement data 312, virtual measurement data 320 of a cell temperature of one or at least one of the several electrolysis cells are then determined. These are then made available.
  • the use of the model can, for example, involve obtaining the real measurement data (310) and then, if necessary, adapting it for use in the model.
  • the model is then used to make a prediction for the temperature in the electrolysis cell, which is then output as the virtual measurement data.
  • control data 330, 332 are then used for the operation of the
  • Electrolysis system determined In contrast to regular operation, which is based only on the real measurement data 310, the virtual measurement data 320 of the cell temperature are additionally used here to operate the electrolysis system.
  • this allows the operation to be adjusted accordingly to avoid excessively high temperatures in the electrolysis cell, and especially at the membrane.
  • This can be achieved, for example, by limiting the rate of load change (this would be done, for example, via control data 330) or by increasing the water flow rate (this would be done, for example, via control data 332).
  • operating parameters can include, for example, the efficiency of the electrolysis cells, mechanical stresses in the stacks, a gas crossover current, or the condition or damage of individual components (so-called health status of the electrolysis plant).
  • cooling water or water inlet temperature can also be lowered before increasing the load in the electrolysis cell in order to reduce the overall membrane temperature. This could then be done, for example, as part of a pre-control system.
  • gas crossover Another variable or operating parameter that needs to be controlled is the gas crossover, which must not be exceeded during continuous operation, although higher rates can be tolerated for short periods if the electrolysis plant is subsequently operated below the limits (so-called dilution effect).

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Temperatur für einen Betrieb einer Elektrolyseanlage, bei der in einer oder mehreren Elektrolysezellen, insbesondere jeweils aufweisend eine Protonen-Austausch-Membran, Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff umgesetzt wird, umfassend: Empfangen von realen Messdaten (310, 312) einer oder mehrerer Betriebsgrößen der Elektrolyseanlage, die während eines Betriebs der Elektrolyseanlage mittels eines oder mehrerer Sensoren erfasst worden sind, Bestimmen, basierend auf einem Modell (300) der einen oder zumindest einer der mehreren Elektrolysezellen, und den realen Messdaten (312) der einen oder zumindest einer der mehreren Betriebsgrößen, von virtuellen Messdaten (320) einer Zell-Temperatur der einen oder der zumindest einen der mehreren Elektrolysezellen, Bereitstellen oder Ausgeben der virtuellen Messdaten (320) der Zell-Temperatur für den Betrieb der Elektrolyseanlage.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Temperatur für einen Betrieb einer Elektrolyseanlage, bei der in einer oder mehreren Elektrolysezellen Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff umgesetzt wird, sowie ein Rechensystem hierfür und eine Elektrolyseanlage, die z.B. zur Gewinnung von Wasserstoff eingesetzt wird.
    • Stand der Technik
  • Zur Gewinnung von Wasserstoff kann die sog. Elektrolyse eingesetzt werden, bei der z.B. Wasser durch elektrische Energie in Sauerstoff und Wasserstoff aufgespaltet bzw. umgesetzt wird. Hierbei wird auch von der Wasser-Elektrolyse gesprochen. Hier kommt z.B. die sog. Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyse (PEM-Elektrolyse, "Proton Exchange Membrane"-Elektrolyse) in Betracht. In diesem Zusammenhang ist auch von PEM-Elektrolyseanlagen oder PEM-Elektrolyseuren die Rede.
  • Ein Großteil des einer jeden Zelle bzw. Stacks zugeführten Wassers verbleibt bei der PEM-Elektrolyse in der Regel auf der Sauerstoffseite der Membran. Während der Wasserstoff auf der anderen Seite der Membran erzeugt und mit einem kleinen Teilstrom an Wasser abgeführt wird, verbleibt der Sauerstoff zunächst im Wasser (ein Großteil des Sauerstoffs ist in der Regel in Gasblasen im Wasser) und wird danach typischerweise in einem Behälter aus dem Wasser abgeschieden.
  • Während des Betriebs einer PEM-Elektrolyseanlage treten in der Regel Alterungs- bzw. Degradationseffekte auf, die den Wirkungsgrad der Elektrolyseanlage verschlechtern und je nach Auslegung der Leistungselektronik ggf. auch die Wasserstoffproduktion absenken. Die Ursachen verschiedener Degradationsmechanismen sind noch nicht vollständig aufgeklärt. Es hat sich jedoch gezeigt, dass neben der Wasserqualität insbesondere die Temperatur einen Effekt auf die Degradationsrate haben. Als Temperatur wird in diesem Zusammenhang in der Regel die Blocktemperatur, d.h. die Temperatur des Stacks angesehen. Innerhalb eines Blockes ist die Temperatur jedoch in aller Regel nicht perfekt homogen verteilt, sondern es treten lokal Temperaturen über und unter der Blocktemperatur auf.
  • Innerhalb einer Elektrolysezelle hat die Membran typischerweise aber eine höhere Temperatur als die Mitteltemperatur der Zelle.
  • Wie sich gezeigt hat, ist für die Degradationsmechanismen die Temperatur der Membran ausschlaggebend, insbesondere im Falle einer sog. Nafion™-Membran, da das Material dafür bekannt ist, sich bei höheren Temperaturen schneller zu zersetzen (Nafion ist ein perfluoriertes Copolymer, das als ionische Gruppe eine Sulfogruppe enthält). Die Temperaturen in der Elektrolysezelle sollte also nicht zu hoch werden.
  • Innerhalb der Elektrolysezelle kann die Temperatur allerdings nicht oder nur sehr unzureichend gemessen werden. Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, den Betrieb einer Elektrolyseanlage, insbesondere einer PEM-Elektrolyseanlage, zu verbessern, insbesondere eine bessere Möglichkeit anzugeben, zu hohe Temperaturen zu vermeiden und so eine Degradation zu reduzieren.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Bestimmen einer Temperatur für einen Betrieb einer Elektrolyseanlage sowie ein Rechensystem und eine Elektrolyseanlage mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
    • Vorteile der Erfindung
  • Die Erfindung beschäftigt sich mit der Wasser-Elektrolyse sowie Elektrolyseanlagen bzw. deren Betrieb hierfür. Solche Elektrolyseanlagen dienen typischerweise dem Erzeugen oder Gewinnen von Wasserstoff mittels Elektrolyse. Bei der sog. Wasser-Elektrolyse wird Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff umgesetzt (gespalten), d.h. neben Wasserstoff wird also zugleich auch immer Sauerstoff gewonnen bzw. erzeugt. Bei der Wasser-Elektrolyse gibt es z.B. die sog. alkalische Wasser-Elektrolyse (AEL, "Alkaline Electrolysis") oder die sog. Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyse (PEM-Elektrolyse, "Proton Exchange Membrane"-Elektrolyse). Daneben gibt es auch die sog. Festoxid-Elektrolyse (SOEC, "Solid Oxide Electrolysis Cell") und die AnionenAustausch-Membran-Elektrolyse (AEM-Elektrolyse, "Anion Exchange Membrane"-Elektrolyse). Die Grundlagen hierzu sind an sich bekannt, z.B. aus " Bessarabov et al: PEM electrolysis for Hydrogen production. CRC Press."
  • Die vorliegende Erfindung soll mit Fokus auf die Protonen-Austausch-Membran-Elektrolyse beschrieben werden, eignet sich aber auch für die anderen genannten Arten der Elektrolyse. Bei der PEM-Elektrolyse z.B. wird Wasser, und zwar insbesondere demineralisiertes Wasser, als Einsatzmedium einer oder mehreren Elektrolysezellen mit jeweils einer Protonen-Austausch-Membran (PEM) - nachfolgend auch einfach nur als Membran bezeichnet - zugeführt, in der das Einsatzmedium, also das Wasser, in Wasserstoff und Sauerstoff umgesetzt (gespalten) wird.
  • Ein Großteil des Wassers verbleibt bei der PEM-Elektrolyse, wie erwähnt, in der Regel auf der Sauerstoffseite der Membran. Während der Wasserstoff auf der anderen Seite der Membran erzeugt und abgeführt wird, verbleibt der Sauerstoff zunächst im Wasser bzw. dort in Gasblasen und wird danach typischerweise, als sauerstoffhaltiger Fluidstrom, einem Behälter, dem sog. Sauerstoffstoffabscheider, zugeführt. Dort wird der Sauerstoff aus dem Wasser abgeschieden, es wird ein sog. Sauerstoffproduktstrom erhalten, der typischerweise in die Atmosphäre geblasen wird. Es sei erwähnt, dass dies ein Ausführungsbeispiel zur Erläuterung ist, das Prinzip kann auch bei einem kathodenseitigen Feed (Strom) bzw. einem Zweikreissystem mit Anoden- und Kathodenfeed zur Anwendung kommen.
  • Ein Fluidstrom, der Wasser enthält, wird vom Sauerstoffabscheider dann der einen oder den mehreren Elektrolysezellen zugeführt. Hierbei handelt es sich also um einen Kreislauf, jedenfalls bezogen auf das Wasser.
  • Ein wasserstoffhaltiger Fluidstrom wird von einer Wasserstoffseite der einen oder der mehreren Elektrolysezellen einem Wasserstoffabscheider zugeführt wird. Anders als bei dem sauerstoffhaltigen Fluidstrom ist der Anteil an Wasser im wasserstoffhaltigen Fluidstrom typischerweise deutlich geringer, trotzdem kann Wasser enthalten sein.
  • Vom Wasserstoffabscheider wird der Wasserstoff vom Wasser abgeschieden, es wird ein sog. Wasserstoffproduktstrom erhalten, der typischerweise zur weiteren Verwendung vorgesehen ist, und hierzu auch zunächst gespeichert werden kann.
  • Wie erwähnt, weist eine solche Elektrolyseanlage eine oder mehrere Elektrolysezellen auf, wobei typischerweise aber mehrere vorgesehen sind. Außerdem können immer mehrere solcher Elektrolysezellen zu einem sog. Stack zusammengefasst sein, die Elektrolyseanlage kann dann auch mehrere Stacks aufweisen. Jede Elektrolysezelle weist dann aber eine Membran auf.
  • Während des Betriebs einer solchen Elektrolyseanlage treten, wie erwähnt, Alterungs- bzw. Degradationseffekte auf, die den Wirkungsgrad der Elektrolyseanlage and damit der Wasserstoffproduktion absenken. Wenngleich die Ursachen verschiedener Degradationsmechanismen noch nicht vollständig aufgeklärt sind, so hat zumindest die Temperatur sowie ggf. auch die Qualität des demineralisierten Wassers einen Effekt auf die Degradationsrate bzw. allgemein die Degradation. Als Temperatur wird in diesem Zusammenhang in der Regel die Blocktemperatur des Stacks bzw. die Temperatur am Wasseraustritt des Stacks auf der Anodenseite angesehen. Diese Temperaturen können typischerweise auch zuverlässig und hinreichend genau mittels Sensoren gemessen werden.
  • Innerhalb einer Elektrolysezelle hat, zumindest im Falle der PEM-Elektrolyse, die Membran aber typischerweise eine höhere Temperatur als der Stack bzw. die Elektrolysezelle selbst. Ein entsprechender Temperaturverlauf in einer Elektrolysezelle ist hierzu in den Figuren gezeigt. Die insbesondere für die Degradation relevante Temperatur der Membran oder auch generell innerhalb einer Elektrolysezelle oder eines Stacks, ist jedoch nicht oder nur unzureichend oder nur sehr aufwändig mittels physikalischer Sensoren messbar.
  • Vor diesem Hintergrund wird nun eine neue Möglichkeit vorgeschlagen, eine Temperatur einer oder in einer Elektrolysezelle zu bestimmen. Dabei werden reale Messdaten einer oder mehrerer Betriebsgrößen der Elektrolyseanlage empfangen, z.B. in einem ausführenden Rechensystem wie z.B. einer Anlagensteuerung. Diese realen Messdaten sind dabei während eines Betriebs der Elektrolyseanlage mittels eines oder mehrerer Sensoren (hierbei handelt es sich dann insbesondere um physikalische Sensoren) erfasst worden. Solche Betriebsgrößen können z.B. Temperaturen außerhalb der Elektrolysezelle umfassen, die, wie vorstehend erwähnt, einfach und gut sind. Ebenso kommen aber auch andere Betriebsgrößen wie Spannung und Strom zum Betrieb der Elektrolysezelle oder Wasser- oder Gas-Durchflussraten in Betracht.
  • Insbesondere können hierbei alle herkömmlicherweise für den Betrieb der Elektrolyseanlage verwendeten Betriebsgrößen verwendet werden.
  • Es werden nun basierend auf einem Modell der einen oder zumindest einer der mehreren Elektrolysezellen, und den realen Messdaten der einen oder zumindest einer der mehreren Betriebsgrößen, virtuelle Messdaten einer Zell-Temperatur der einen oder der zumindest einen der mehreren Elektrolysezellen bestimmt. Die virtuellen Messdaten der Zell-Temperatur werden dann für den Betrieb der Elektrolyseanlage bereitgestellt oder ausgegeben. Während die realen Messdaten mittels Sensoren erfasst werden, handelt es sich bei den virtuellen Messdaten nicht um real gemessene Daten sondern um hypothetische Messdaten, die - zumindest annähernd - so gemessen würden, wenn sie denn mittels Sensoren messbar wären.
  • Insbesondere können basierend auf den realen Messdaten des einen oder zumindest einer der mehreren Betriebsgrößen und den virtuellen Messdaten der Zell-Temperatur, dann Ansteuerdaten für den Betrieb der Elektrolyseanlage bestimmt werden, die ausgegeben werden, um so den Betrieb der Elektrolyseanlage gemäß der Ansteuerdaten zu veranlassen.
  • Die genannten Schritte können z.B. auf dem ausführenden Rechensystem wie der Anlagensteuerung durchgeführt werden, d.h. die realen Messwerte werden dort empfangen, die virtuellen Messwerte bestimmt, und dann die Ansteuerdaten bestimmt, die dann z.B. als Ansteuersignale an relevanten Komponenten wie z.B. einen Inverter für den Betrieb einer Elektrolysezelle und/oder Ventile zum Regeln von Wasser- und/oder Gas-Durchflüssen ausgegeben werden.
  • Damit wird also auch das Modell auf dem Rechensystem ausgeführt, d.h. die damit anzustellenden Berechnungen werden dort durchgeführt. Denkbar ist aber auch, dass das Modell und die damit durchzuführenden Berechnungen auf einem von der Anlagensteuerung separatem Rechensystem ausgeführt werden und die virtuellen Messdaten dann - wie auch ggf. reale Messdaten der Anlagensteuerung übergeben werden.
  • In beiden Fällen wird aber insbesondere das Modell sozusagen parallel und zeitgleich zum Betrieb der Elektrolyseanlage betrieben und ausgeführt. Auf diese Weise können also in Echtzeit die nötigen Temperaturen der Elektrolysezelle bestimmt und für den laufenden Betrieb verwendet werden.
  • In einer Ausführungsform umfasst die Zell-Temperatur eine Temperatur der Protonen-Austausch-Membran der einen oder der zumindest einen der mehreren Elektrolysezellen. In einer Ausführungsform umfasst die Zell-Temperatur einen Verlauf einer Temperatur über eine Struktur der einen oder der zumindest einen der mehreren Elektrolysezellen hindurch, also sozusagen eine Art Temperaturprofil als Funktion der Position innerhalb der Elektrolysezelle oder zumindest entlang einer Strecke durch die Elektrolysezelle hindurch.
  • Im Falle mehrerer Elektrolysezellen kann dasselbe Modell für alle Elektrolysezellen verwendet werden. Denkbar ist aber auch ein individuelles Modell für jede oder zumindest einige der mehreren Elektrolysezellen, z.B. dann, falls es verschiedene Elektrolysezellen gibt; Elektrolysezellen können z.B. in der Größe oder auch im Alter voneinander abweichen.
  • Bei diesem Modell handelt es sich insbesondere um einen sog. digitalen Zwilling, der die Elektrolysezelle möglichst detailgetreu abbildet, also auch in Bezug auf die Struktur bzw. den Aufbau der Elektrolysezelle. Näheres hierzu wird auch in Bezug auf die Figuren erläutert.
  • Ein Vorteil insbesondere der PEM-Elektrolyse sollte eigentlich eine hohe Laständerungsgeschwindigkeit sein. Während es bei einem stark fluktuierenden Betrieb der PEM-Elektrolyse zu einer deutlich erhöhten Degradation kommen konnte, kann dies mit der nunmehr vorliegenden Temperatur der Elektrolysezelle vermieden oder zumindest reduziert werden, da eine Übertemperatur in der Membran vermieden werden kann.
  • Die Laständerungen erfolgen stromseitig in der Regel schnell, so dass es kurzfristig zu einer höheren Wärmefreisetzung in oder an der Membran kommt. Effekte der Wärmeableitung sind jedoch relativ langsam, so dass eine erhöhte Wärmeabfuhr nur verzögert der erhöhten Wärmefreisetzung folgt. Somit ergibt sich eine Temperaturerhöhung im Bereich der Membran. Dem kann aber durch Kenntnis der aktuellen Temperatur der Membran oder zumindest um die Membran herum gezielt entgegengewirkt werden.
  • Idealerweise kann die Laständerung bzw. die Laständerungsgeschwindigkeit nun so gesteuert werden, dass eine gewisse Temperatur in der Elektrolysezelle bzw. um die Membran herum nicht überschritten wird. Eine Regelung ist z.B. über die Temperatur des Eintrittsstromes des Anodenkreislaufes, evtl. vorhandene Kühlkreislaufe oder eine Begrenzung der Laständerungsgeschwindigkeit möglich. Eine gewünschte Zielgröße der Regelung - die Temperatur in der Zelle -, die messtechnisch nicht oder nur sehr aufwendig erfassbar ist, kann nunmehr aber auch verwendet werden.
  • In einer Ausführungsform umfasst das Veranlassen des Betriebs der Elektrolyseanlage gemäß der Ansteuerdaten ein Anpassen des Betriebs der einen oder der wenigstens einen der mehreren Elektrolysezellen in Abhängigkeit von der Zell-Temperatur, wie schon angedeutet. Mit anderen Worten kann also auf ggf. zu hohe oder sich anbahnende zu hohe Temperaturen in der Elektrolysezelle reagiert werden. Insbesondere kann zu hohen Temperaturen dort entgegengewirkt werden.
  • Dies kann mit verschiedenen Maßnahmen erfolgen. So kann z.B. eine Laständerungsgeschwindigkeit der einen oder der zumindest einen Elektrolysezelle begrenzt werden. Es kann auch eine Temperatur von Wasser- oder Kühlwasser der einen oder der zumindest einen Elektrolysezelle, abgesenkt werden, insbesondere temporär. Es kann auch ein Durchfluss von Wasser- oder Kühlwasser der einen oder der zumindest einen Elektrolysezelle erhöht werden oder als pulsierender Betrieb erfolgen; auch dies kann temporär erfolgen. Auch können Wärmeverluste der Elektrolyseanlage (an die Umgebung) erhöht werden, ggf. temporär. Weiterhin kann ein Druck von Rohwasserstoff und/oder Rohsauerstoff am Abgang der einen oder der zumindest einen Elektrolysezelle abgesenkt werden, ggf. temporär. All diese Maßnahmen wirken einer Übertemperatur in der Elektrolysezelle, dort insbesondere der Membran, entgegen und reduzieren so die Degradation.
  • Ein optimaler Wirkungsgrad und eine optimale Laständerungsgeschwindigkeit bei minimierter Degradation können durch Minimierung der Übertemperatur bzw. Spitzentemperatur in der Membran erreicht werden.
  • Es ergeben sich damit verbesserte Wirkungsgrade im Grundlastbetrieb, eine verringerte Degradation bei fluktuierendem Betrieb sowie eine Anhebung der Membran-Kerntemperatur im Teillastbereich zur Optimierung Effizient versus Lebenszeit.
  • In einer Ausführungsform ist zudem vorgesehen, dass basierend auf dem Modell, und den realen Messdaten der einen oder zumindest einer der zum Abgleich ausgewählten mehreren Betriebsgrößen, virtuelle Messdaten der einen oder der zumindest einen zum Abgleich ausgewählten der mehreren Betriebsgrößen bestimmt werden. Es werden also nicht nur virtuelle Messdaten der Zell-Temperatur bestimmt, sondern noch weitere virtuelle Messdaten von Betriebsgrößen, zu denen auch reale Messdaten vorliegen. Es erfolgt dann ein Abgleichen der Messdaten mit den virtuellen Messdaten, und, bei Bedarf, ein Anpassen des Modells basierend auf einem Unterschied zwischen den Messdaten und den virtuellen Messdaten. So kann das Modell immer möglichst nah an der Realität gehalten werden. Dabei kann z.B. auch eine Zustandsschätzung oder eine geeignete Algorithmik, z.B. auch ein Kalman-Filter, zum Einsatz kommen. Dieser Abgleich und dieses Anpassen können insbesondere für verschiedene Betriebspunkte erfolgen. Insbesondere aber wird der der Modellabgleich kontinuierlich oder wiederholt während des Betriebs der Elektrolyseanlage vorgenommen.
  • Ein erfindungsgemäßes Rechensystem (also ein System zur Datenverarbeitung) ist eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren bzw. von dessen Verfahrensschritten auszuführen; es umfasst also Mittel zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. von dessen Verfahrensschritten. Es kann sich bei dem Rechensystem um einen Computer oder Server handeln, z.B. in einer sog. Cloud oder Cloud-Umgebung, oder aber wie schon erwähnt um eine Anlagensteuerung oder einen Teil davon. Die Erfindung betrifft auch eine Elektrolyseanlage mit einem solchen Rechensystem. In Bezug auf die Elektrolyseanlage und deren näheren Details sei auch auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert, welche eine Anlage gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
    • Figur 1 zeigt schematisch eine Elektrolyseanlage in einer Ausführungsform.
    • Figuren 2a, 2b zeigen Diagramme zur Erläuterung der Erfindung.
    • Figur 3 zeigt schematisch einen Ablauf eines Verfahrens in einer Ausführungsform.
    Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
  • In Figur 1 ist schematisch eine Elektrolyseanlage 100 in einer Ausführungsform dargestellt, bei der auch ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist. Es handelt sich hierbei beispielhaft um eine Elektrolyseanlage zur Wasser-Elektrolyse mittels PEM. Es kommt aber, wie erwähnt, z.B. auch eine Elektrolyseanlage zur Wasser-Elektrolyse mittels AEM oder SOEC in Betracht. Insbesondere handelt sich bei der hier gezeigten sowie allgemein im Rahmen der Erfindung beschriebene Elektrolyseanlage um eine Elektrolyseanlage im industriellen Maßstab, um z.B. Wasserstoff in industriellem Maßstab zu gewinnen. Eine typische Leistung einer solchen Elektrolyseanlage liegt z.B. bei mehr als 10 MW oder auch mehr als 20 MW.
  • Die Elektrolyseanlage 100 weist beispielhaft zwei Elektrolyseeinheiten bzw. Stacks 110a, 110b auf, wovon nur der Stack 110a detaillierter gezeigt ist, nämlich mit beispielhaft zwei Elektrolysezellen 110.1, 110.2, in denen jeweils eine Protonen-Austausch-Membran (PEM) 112 vorgesehen ist. Die PEM 112 trennt die Elektrolysezellen jeweils in eine Sauerstoffseite 114 und eine Wasserstoffseite 116. Die Sauerstoffseiten 114 und die Wasserstoffseiten 116 können gemeinsam jeweils als Sauerstoffseite bzw. Wasserstoffseite eines Stacks oder auch der gesamten Elektrolyseanlage angesehen werden.
  • Der Stack 110b kann z.B. gleichartig wie der Stack 110a aufgebaut sein, ebenso können noch weitere Stacks dieser Art vorgesehen sein. Allgemein kann eine Elektrolyseanlage eine oder mehrere Elektrolysezellen aufweisen, wobei im Falle mehrerer Elektrolysezellen jeweils einige davon, z.B. zwei, vier, sechs, acht oder mehr als ein Stack angeordnet sind und z.B. gemeinsam mit elektrischer Energie versorgt werden. Denkbar sind beispielsweise auch 40, 100 oder auch bis zu 400 oder mehr Elektrolysezellen pro Stack.
  • Die Elektrolyseanlage 100 weist weiterhin einen Behälter 120 auf, der als Sauerstoffabscheider bzw. Sauerstoff-Wasser-Abscheider dient. Der Sauerstoffabscheider 120 ist über eine Fluidverbindung mit den Stacks 110a, 110b bzw. dort jeder der Elektrolysezellen 110.1, 110.2 verbunden. Hierdurch kann ein Fluidstrom b aus dem Sauerstoffabscheider 120 zu den Elektrolysezellen gepumpt werden, z.B. mittels einer Pumpe 124, und zwar über eine geeignete Fluidverbindung 122, z.B. Rohre. Je nach Art der Elektrolyseanlage und z.B. der Anzahl der Elektrolysezellen und/oder Stacks können auch mehrere Fluidverbindungen (d.h. separate Leitungen) vorgesehen sein. Beispielsweise kann z.B. eine Fluidverbindung für zwei oder vier Stacks vorgesehen sein.
  • Die Stacks bzw. die Elektrolysezellen sind zudem über eine Fluidverbindung 126, z.B. Rohre, mit dem Sauerstoffabscheider 120 verbunden. Durch die Fluidverbindung 126 kann ein Fluidstrom c aus den Elektrolysezellen, dort der Sauerstoffseite 114 bzw. der Sauerstoffseite einer jeden Elektrolysezelle, zum Sauerstoffabscheider 120 gepumpt werden; hierfür kann ebenfalls die Pumpe 124 ausreichend sein. Je nach Art der Elektrolyseanlage und z.B. der Anzahl der Elektrolysezellen können auch hier mehrere Fluidverbindungen (d.h. separate Leitungen) vorgesehen sein. Beispielsweise kann z.B. eine Fluidverbindung für zwei oder vier Stacks vorgesehen sein.
  • Außerdem weist die Elektrolyseanlage 100 einen weiteren Behälter 130 auf, der als Wasserstoffabscheider bzw. Wasserstoff-Wasser-Abscheider dient. Die Stacks bzw. die Elektrolysezellen sind dabei über eine Fluidverbindung 132, z.B. Rohre, mit dem Wasserstoffabscheider 130 verbunden. Durch die Fluidverbindung 132 kann ein Fluidstrom e aus den Elektrolysezellen, dort der Wasserstoffseite 116 bzw. der Wasserstoffseite einer jeden Elektrolysezelle, zum Wasserstoffabscheider 130 geführt werden. Je nach Art der Elektrolyseanlage und z.B. der Anzahl der Elektrolysezellen können auch hier mehrere Fluidverbindungen (d.h. separate Leitungen) vorgesehen sein. Beispielsweise kann z.B. eine Fluidverbindung für zwei oder vier Elektrolysezellen vorgesehen sein. Denkbar sind auch mehrere Wasserstoffabscheider.
  • Bei einem Betrieb der Elektrolyseanlage 100 wird nun der Fluidstrom b, der Wasser aufweist, vom Sauerstoffabscheider 120 zu den Stacks bzw. deren Elektrolysezellen gepumpt. Dort wird das Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff umgesetzt. Hierzu wird eine elektrische Spannung an die Elektrolysezellen angelegt, der Wasserstoff wird elektrochemisch durch die PEM 112 auf die Wasserstoffseite 116 transportiert und kann von dort, ggf. noch mit Wasserdampf und einer flüssigen Wasserphase vermischt, als Strom e - einem wasserstoffhaltigen Fluidstrom - dem Wasserstoffabscheider 130 zugeführt werden. Dort kann der Wasserstoff abgeschieden werden und als Strom f z.B. für eine weitere Verwendung abgeführt oder gespeichert werden. Im Wasserstoffabscheider 130 abgeschiedene Wasser kann z.B. einer Behandlung zugeführt (hier nicht gezeigt) und dann als Fluidstrom g wieder in den Hauptwasserkreislauf zurückgeführt werden.
  • Es versteht sich, dass die PEM 112 nur bei der PEM-Elektrolyse vorhanden ist; bei der AEM- oder SOEC-Elektrolyse kann stattdessen eine keramische Membran vorgesehen sein.
  • Der Sauerstoff verbleibt zusammen mit dem Großteil des Wassers auf der Sauerstoffseite 114. Der entstehende Fluidstrom c weist also Wasser und Sauerstoff auf - es handelt sich um einen sauerstoffhaltigen Fluidstrom. Der Fluidstrom c wird, wie erwähnt, dem Sauerstoffabscheider 120 zugeführt.
  • An dieser Stelle sei erwähnt, dass der Fluidstrom c auch zu einem gewissen geringen Anteil Wasserstoff aufweisen kann. Gleichermaßen kann der Fluidstrom e auch zu einem gewissen geringen Anteil Sauerstoff aufweisen.
  • Da in den Elektrolysezellen Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff umgesetzt wird und der Sauerstoff und der Wasserstoff abgeführt werden, wird die Menge an Wasser geringer und es kann daher - um einen kontinuierlichen Betrieb aufrechtzuerhalten - als Strom a von extern neues Wasser (sog. Make-Up-Wasser) zugeführt werden.
  • Dieses Wasser kann zuvor z.B. noch aufbereitet werden (hier nicht gezeigt), was für die vorliegende Erfindung jedoch nicht weiter relevant ist. Es kann ggf. im Wasserstoffabscheider 130 abgeschiedenes Wasser, also der schon erwähnt Fluidstrom g, dem Strom a und darüber wieder dem Sauerstoffabscheider 120, ggf. ebenfalls nach vorheriger Aufbereitung, zugeführt werden.
  • Wie erwähnt, wird im Sauerstoffabscheider 120 Sauerstoff vom Wasser abgetrennt; der hierbei abgetrennte bzw. abgeschiedene Sauerstoff sowie kann als Sauerstoffstrom d z.B. für eine weitere Verwendung abgeführt und ggf. gespeichert werden.
  • Weiterhin weist die Elektrolyseanlage 100 ein als Anlagensteuerung ausgebildetes Rechensystem 150 auf, sowie eine Steuer- oder Regeleinheit 152 für den Betrieb der Elektrolysezellen bzw. Stacks und eine Steuer- oder Regeleinheit 154 für die Steuerung der Regelung von z.B. Wasserdurchflussraten sowie, ggf. indirekt, von Temperaturen. Entsprechende Sensoren können hierfür Messwerte bzw. Messdaten liefen. Die Steuer- oder Regeleinheit 152 kann z.B. einen Inverter umfassen oder selbst Teil eines solchen sein, womit insbesondere eine elektrische Last und damit auch Laständerungen vorgegeben werden können.
  • In der Anlagensteuerung 150 können insbesondere verschiedene Berechnungen im Rahmen der Erfindung vorgenommen werden, so insbesondere Ansteuerdaten für den Betrieb der Elektrolyseanlage bestimmt werden. Diese können dann an die Steuer- oder Regeleinheit 152 sowie die Steuer- oder Regeleinheit 154 übergeben werden.
  • In Figur 2a ist schematisch ein Querschnitt durch eine Elektrolysezelle 210 gezeigt. Dabei ist die Elektrolysezelle in einem Diagramm dargestellt, in dem eine Temperatur 200 über einer Position 202 durch die Elektrolysezelle hindurch aufgetragen ist. Eine oder mehrere solche Elektrolysezellen 210 können z.B. bei der Elektrolyseanlage 100 gemäß Figur 1 verwendet werden.
  • Die Elektrolysezelle 210 weist eine Membran bzw. PEM 212 auf, die die Elektrolysezelle 210 in eine Sauerstoffseite 214 und eine Wasserstoffseite 216 trennt. Ausgehend von der Membran 212 nach außen hin sind auf der Sauerstoffseite 214 eine poröse Transportschicht 240, ein Flusskanal 242 für Wasser bzw. Sauerstoff sowie eine Bipolarplatte 244 vorgesehen. Die Bipolarplatte 244 stellt dabei eine Elektrode, hier die Anode, dar bzw. dient als solche. Entsprechend sind ausgehend von der Membran 212 nach außen hin auf der Wasserstoffseite 216 eine poröse Transportschicht 240`, ein Flusskanal 242` für Wasser bzw. Wasserstoff sowie eine Bipolarplatte 244` vorgesehen. Die Bipolarplatte 244` stellt dabei eine Elektrode 241 `, hier die Kathode, dar bzw. dient als solche. Auf der Membran 212 selbst kann auf beiden Seiten ggf. eine Beschichtung aufgebracht sein und dieselbe Membran kann in oder zwischen den einzelnen Lagen ebenfalls katalytisch aktiv sein.
  • Mit 260 ist nun ein Verlauf der Temperatur durch die Elektrolysezelle 210 hindurch gezeigt; es kann sich z.B. um einen stationären Temperaturverlauf handeln. Wie sich gezeigt hat, ist der Wert der Temperatur an der Membran bzw. um die Membran herum dabei deutlich höher als an den äußeren Bereichen.
  • Wenn die Temperatur an der Membran zu stark ansteigt bzw. zu hoch wird, kann dies zu einer schnelleren Degradation der Membran kommen. Insbesondere bei stromseitig schnell erfolgenden Laständerungen, kann es kurzfristig zu höheren Wärmefreisetzungen kommen, während die Wärmeableitung nicht so schnell erfolgen kann. Dies resultiert in einer Temperaturerhöhung insbesondere im Bereich der Membran. Ein Verlauf der Temperatur für einen solchen Fall ist mit 262 gezeigt, es kann sich z.B. um einen transienten Temperaturverlauf handeln
  • In Figur 2a ist die Elektrolysezelle 210 aus Figur 2a erneut gezeigt, auch mit dem Verlauf 260; dabei ist zu beachten, dass die Achse 200 etwas verschoben ist. Zudem ist hier ein Verlauf 264 gezeigt., bei dem es sich ebenfalls um einen transienten Temperaturverlauf handeln kann. Anders als beim Verlauf 262 überschreitet die maximale Temperatur an der Membran hier aber nicht den Wert des Verlaufs 260. Stattdessen ist die Temperatur nach weiter außen hin geringer. Dies kann z.B. durch erhöhten Wasserdurchfluss erreicht werden.
  • Hierzu sei erwähnt, dass der maximale Wert, der für die Temperatur hier erlaubt wird, nicht notwendigerweise derjenige aus dem stationären Betrieb sein muss, sondern auch ein anderweitig bestimmter, zweckmäßiger Wert sein kann.
  • In Figur 3 ist schematisch ein Ablaufdiagram für ein Verfahren in einer Ausführungsform dargestellt. Hierzu sind einige Komponenten der Elektrolyseanlage 100 gezeigt, nämlich die Anlagensteuerung 150, die Steuer- oder Regeleinheit 152 sowie die Steuer- oder Regeleinheit 154 und beispielhaft der Stack 110a mit den Elektrolysezellen. Ebenso sind entsprechende Fluidströme b, c, und 3 wie in Figur 1 gezeigt. Hierfür sei auf die Erläuterungen der Figur 1 verwiesen.
  • Außerdem ist ein Modell 300 einer Elektrolysezelle gezeigt. Das Modell 300 kann eine Elektrolysezelle wie z.B. in Figur 1 oder 2 gezeigt als sog. digitaler Zwilling möglichst detailgetreu abbilden. Insbesondere kann z.B. die in Figur 2 gezeigte Struktur nachgebildet sein, um so einen sich in der Elektrolysezelle und durch deren Querschnitt sich einstellender Verlauf der Temperatur bestimmen zu können.
  • Beim Betrieb der Elektrolyseanlage werden Werte von verschiedenen Betriebsgrößen der Elektrolyseanlage mittels Sensoren gemessen. Die auf diese Weise erhaltenen realen Messdaten 310 können ganz regulär in der Steuereinrichtung 150 empfangen werden, um basierend darauf Ansteuerdaten für den Betrieb der Elektrolyseanlage zu erzeugen. Beispielhaft sind solche Ansteuerdaten mit 330 und 332 gezeigt. Die Ansteuerdaten 330 dienen zum Steuern der elektrischen Last über die Steuer- oder Regeleinheit 152. Die Ansteuerdaten 332 dienen zum Steuern der Durchflussrate von Wasser, hier dem Fluidstrom b, über die Steuer- oder Regeleinheit 154.
  • Die Messdaten eines Teils der verschiedenen Betriebsgrößen der Elektrolyseanlage, oder auch ggf. von allen davon, werden verwendet, um die Temperatur in der Elektrolysezelle oder allen Elektrolysezellen zu bestimmen. Die entsprechenden Messdaten sind hier mit 312 bezeichnet und können ein Teil der Messdaten 310 sein. Grundsätzlich denkbar ist aber auch, dass die Messdaten 312 Werte zu Betriebsgrößen umfassen, die in den Messdaten 310 nicht enthalten sind.
  • Es werden also reale Messdaten 310, 312 empfangen, die während eines Betriebs der Elektrolyseanlage mittels eines oder mehrerer Sensoren erfasst worden sind. Basierend auf dem Modell 300 und den realen Messdaten 312 werden dann virtuelle Messdaten 320 einer Zell-Temperatur der einen oder der zumindest einen der mehreren Elektrolysezellen bestimmt. Diese werden dann bereitgestellt.
  • Die Verwendung des Modells kann z.B. umfassen, dass die realen Messdaten 310 erhalten und dann bei Bedarf für die Verwendung in dem Modell angepasst werden. Mittels des Modells wird dann eine Vorhersage für die Temperatur in der Elektrolysezelle getroffen, die dann als die virtuellen Messdaten ausgegeben wird.
  • Basierend auf den realen Messdaten 310 und virtuellen Messdaten 320 der Zell-Temperatur, werden dann die Ansteuerdaten 330, 332 für den Betrieb der
  • Elektrolyseanlage bestimmt. Gegenüber einem regulären Betrieb, der nur auf den realen Messdaten 310 beruht, werden hier also zusätzlich die virtuellen Messdaten 320 der Zell-Temperatur verwendet, um die Elektrolyseanlage zu betreiben.
  • Wie erwähnt, lässt sich auf diese Weise der Betrieb entsprechend anpassen, um zu hohe Temperaturen in der Elektrolysezelle und dort vor allem an der Membran zu vermeiden. Dies kann z.B. eine Begrenzung der Laständerungsgeschwindigkeit (dies würde z.B. über die Ansteuerdaten 330 erfolgen) oder ein Anheben des Wasserdurchflusses (dies würde z.B. über die Ansteuerdaten 332 erfolgen) sein.
  • Neben der Zell-Temperatur können auch weitere Betriebsgrößen mittels des Modells vorhergesagt werden, also entsprechende virtuelle Messdaten bestimmt werden. Diese werden Betriebsgrößen können z.B. Wirkungsgrade der Elektrolysezellen, mechanische Spannungen in den Stacks, ein Gas-Cross-Over-Strom, oder auch ein Zustand oder eine Beschädigung von einzelnen Komponenten sein (sog. Gesundheitszustand der Elektrolyseanlage).
  • Neben den erwähnten Maßnahmen kann z.B. auch generell vor Lasterhöhungen in der Elektrolysezelle die Kühlwasser- oder Wassereintrittstemperatur (bzw. die Temperatur des Stacks) gesenkt werden, um die Membrantemperatur insgesamt abzusenken. Dies wäre dann z.B. im Rahmen einer Vorregelung.
  • Eine weitere zu regelnde Größe oder Betriebsgröße kann der Gas-Cross-Over sein, der im Dauerbetrieb nicht überschritten werden darf, wobei jedoch kurzzeitig höhere Raten toleriert werden können, wenn die Elektrolyseanlage anschließend wieder unterhalb der Grenzwerte betrieben wird (sog. Verdünnungseffekt).

Claims (12)

  1. Verfahren zum Bestimmen einer Temperatur für einen Betrieb einer Elektrolyseanlage (100), bei der in einer oder mehreren Elektrolysezellen (110.1, 110.2), insbesondere jeweils aufweisend eine Protonen-Austausch-Membran (112, 212), Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff umgesetzt wird, umfassend:
    Empfangen von realen Messdaten (310, 312) einer oder mehrerer Betriebsgrößen der Elektrolyseanlage (100), die während eines Betriebs der Elektrolyseanlage mittels eines oder mehrerer Sensoren erfasst worden sind,
    Bestimmen, basierend auf einem Modell (300) der einen oder zumindest einer der mehreren Elektrolysezellen, und den realen Messdaten (312) der einen oder zumindest einer der mehreren Betriebsgrößen, von virtuellen Messdaten (320) einer Zell-Temperatur der einen oder der zumindest einen der mehreren Elektrolysezellen,
    Bereitstellen oder Ausgeben der virtuellen Messdaten (320) der Zell-Temperatur für den Betrieb der Elektrolyseanlage (100).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend:
    Bestimmen, basierend auf den realen Messdaten (310) des einen oder zumindest einer der mehreren Betriebsgrößen und den virtuellen Messdaten (320) der Zell-Temperatur, von Ansteuerdaten (330, 332) für den Betrieb der Elektrolyseanlage, und
    Ausgeben der Ansteuerdaten (330, 332) und Veranlassen eines Betriebs der Elektrolyseanlage gemäß der Ansteuerdaten.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Veranlassen des Betriebs der Elektrolyseanlage (100) gemäß der Ansteuerdaten umfasst:
    Anpassen des Betriebs der einen oder der wenigstens einen der mehreren Elektrolysezellen in Abhängigkeit von der Zell-Temperatur.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Anpassen des Betriebs wenigstens eine der folgenden Maßnahmen umfasst:
    - Begrenzen einer Laständerungsgeschwindigkeit der einen oder der zumindest einen Elektrolysezelle,
    - Absenken, insbesondere temporäres Absenken, einer Temperatur von Wasser- oder Kühlwasser der einen oder der zumindest einen Elektrolysezelle,
    - Erhöhen oder pulsierender Betrieb, insbesondere temporäres Erhöhen oder temporärer pulsierender Betrieb, eines Durchflusses von Wasser- oder Kühlwasser der einen oder der zumindest einen Elektrolysezelle,
    - Erhöhen, insbesondere temporäres Erhöhen, von Wärmeverlusten der Elektrolyseanlage,
    - Absenken, insbesondere temporäres Absenken, eines Drucks von Rohwasserstoff und/oder Rohsauerstoff am Abgang der einen oder der zumindest einen Elektrolysezelle.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiterhin umfassend einen Modellabgleich, umfassend:
    Bestimmen, basierend auf dem Modell (300), und den realen Messdaten der einen oder zumindest einer zum Abgleich ausgewählten der mehreren Betriebsgrößen, von virtuellen Messdaten der einen oder der zumindest einen zum Abgleich ausgewählten der mehreren Betriebsgrößen
    Abgleichen der Messdaten mit den virtuellen Messdaten, und
    bei Bedarf, Anpassen des Modells basierend auf einem Unterschied zwischen den Messdaten und den virtuellen Messdaten.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Modellabgleich kontinuierlich oder wiederholt während des Betriebs der Elektrolyseanlage vorgenommen wird.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die eine oder jede der mehreren Elektrolysezellen (110.1, 110.2), eine Protonen-Austausch-Membran (112, 212) aufweist, und wobei die Zell-Temperatur eine Temperatur der Protonen-Austausch-Membran der einen oder der zumindest einen der mehreren Elektrolysezellen umfasst.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Zell-Temperatur einen Verlauf (260, 262, 264) einer Temperatur über eine Struktur der einen oder der zumindest einen der mehreren Elektrolysezellen hindurch umfasst.
  9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiterhin umfassend:
    Bestimmen, basierend auf dem Modell (300), und den realen Messdaten (310, 312) der einen oder zumindest einer der mehreren Betriebsgrößen, von virtuellen Messdaten einer oder mehrerer weiterer Betriebsgrößen der Elektrolyseanlage, und
    Ausgeben der virtuellen Messdaten der einen oder der mehreren weiteren Betriebsgrößen der Elektrolyseanlage,
    wobei die eine oder die mehreren weiteren Betriebsgrößen der Elektrolyseanlage wenigstens eine der folgenden Größen umfassen:
    - Einen Wirkungsgrad der einen oder wenigstens einer der mehreren Elektrolysezellen oder der Elektrolyseanlage,
    - Eine mechanische Spannung in der einen oder in oder zwischen den mehreren Elektrolysezellen,
    - Einen Gas-Cross-Over-Strom,
    - Einen Zustand oder eine Beschädigung einer oder mehrere Komponenten der einen oder wenigstens einer der mehreren Elektrolysezellen oder der Elektrolyseanlage.
  10. Rechensystem (150) für den Betrieb einer Elektrolyseanlage (100), wobei die Steuereinrichtung eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.
  11. Elektrolyseanlage (100) mit einem Rechensystem (150) nach Anspruch 10.
  12. Elektrolyseanlage (100) nach Anspruch 11, weiterhin mit einer oder mehreren Elektrolysezellen (110.1, 110.2), in denen Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff umsetzbar ist, mit einem Sauerstoffabscheider (120) und mit einem Wasserstoffabscheider (130),
    wobei die Elektrolyseanlage (100) eingerichtet ist, einen Fluidstrom (b), der Wasser enthält, von dem Sauerstoffabscheider der einen oder den mehreren Elektrolysezellen zuzuführen, einen sauerstoffhaltigen Fluidstrom (c) von einer Sauerstoffseite der einen oder der mehreren Elektrolysezellen dem Sauerstoffabscheider zuzuführen, und einen wasserstoffhaltigen Fluidstrom (e) von einer Wasserstoffseite der einen oder der mehreren Elektrolysezellen dem Wasserstoffabscheider zuzuführen.
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