EP4698695A1

EP4698695A1 - Verfahren zum betreiben eines elektrolysesystems und elektrolysesystem

Info

Publication number: EP4698695A1
Application number: EP24720129.6A
Authority: EP
Inventors: Markus BRENK; Annika UTZ
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2023-04-18
Filing date: 2024-04-16
Publication date: 2026-02-25
Also published as: DE102023203528A1; WO2024218079A1

Abstract

Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Verfahren (100) zum Betreiben eines Elektrolysesystems (200, 300). Das vorgestellte Verfahren (100) umfasst: - Maximieren (101) eines Füllstands eines Gas-Flüssig-Separators (203, 303) des Elektrolysesystems (200, 300) bevor eine Elektrolysetätigkeit des Elektrolysesystems (200, 300) eingestellt wird, - Spülen (103) zumindest eines Zellstapels (201, 301) des Elektrolysesystems (200, 300) mit einem ersten Fluid und mindestens einem von dem ersten Fluid unterschiedlichen weiteren Fluid bevor die Elektrolysetätigkeit des Elektrolysesystems (200, 300) eingestellt wird.

Description

Beschreibung

Titel

Verfahren zum Betreiben eines und

Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Elektrolysesystems und ein Elektrolysesystem gemäß den beigefügten Ansprüchen.

Stand der Technik

Ein wesentliches Element von Elektrolysesystemen ist der Elektrolyse-Stack bzw. Zellstapel, der in einem elektrochemischen Prozess bspw. mit Strom Wasser in die Bestandteile Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) spaltet

Es sind verschiedene Typen von Zellstapeln, wie bspw. PEM (proton exchange membrane), SOEC (solid oxide electrolysis cell), Alkali und AEM (anion exchange membrane) Zellstapel bekannt, die sich insbesondere durch die Art des lonentransports über die Membran unterscheiden (H⁺, OH , O² ).

Die Zellstapel sind üblicherweise in ein Elektrolysesystem eingebunden, in dem die Stacks beispielsweise mit einer Pumpe mit Wasser versorgt werden, das ggf. zusätzlich durch einen Wärmetauscher sowie einen Filter durchgeleitet wird. Auf den beiden Seiten einer Zelle im Zellstapel - Anode und Kathode - entstehen bei Anlegen einer Spannung jeweils die Produktgase (O2 bzw.H2) z.T. mit größeren Mengen Edukt (Wasser). Diese Produktgase werden meist je einem Gas-Flüssig- Separator zugeführt, in dem das jeweilige Gase von der Flüssigkeit getrennt wird, bevor insbesondere der Wasserstoff in ggf. vorhandenen Folgeprozessen weiter aufbereitet wird (insbesondere Trocknung, Reinigung, Kompression). Da Wasserstoff nur dann als „grün“ - d. h. COj-neutral - bezeichnet werden darf, wenn ausschließlich Strom aus erneuerbaren Energien verwendet wurde, meist Wind und Photovoltaik, seltener mit Wasserkraft oder Geothermie, kann der Betrieb eines Elektrolysesystems in der Regel nicht bei einem konstanten Betriebspunkt erfolgen, sondern muss sich nach der Stromverfügbarkeit richten. Daraus ergibt sich die Anforderung, dass ein dynamischer Betrieb und zwischenzeitliche Stillstandphasen beim Betrieb eines Elektrolyseurs vorzusehen sind.

Die energetische Effizienz von Elektrolysesystemen richtet sich insbesondere nach deren Stromverbrauch bezogen auf die erzeugte bzw. nutzbare Wasserstoffmenge. Die energetische Effizienz möglichst hochzuhalten, ist mit Blick auf den Betrieb in wechselnden Betriebspunkten und insbesondere zwischenzeitlichen Stillstandsphasen durch Standby bzw. Abschaltung für einen längeren Zeitraum herausfordernd.

Aus Sicherheitsgründen wird bei einem Abschalten eines Elektrolysesystems insbesondere die Fh-Seite üblicherweise mit einem Inertgas gespült, meist Stickstoff (N2). Dadurch wird verhindert, dass H2 auf die Ch-Seite diffundiert und dort reagiert und/oder sich auf andere Weise ein zündfähiges Gasgemisch bildet.

Beim Wiederanfahren eines Elektrolysesystems ergibt sich das Problem, dass der produzierte Wasserstoff mit N2 vermischt ist und ggf. nicht die erforderliche Reinheit für die Nutzung erfüllt. Um das zu vermeiden, wird beim Anfahren nach einer Abschaltphase oder einer Standbyphase eine Menge an neu produziertem Gas für eine vorgegebene Betriebsdauer verworfen. Dadurch wird der Wasserstoffertrag und die Anlageneffizienz gemindert.

Offenbarung der Erfindung

Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Verfahren zum Betreiben eines Elektrolysesystems und ein Elektrolysesystem vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Elektrolysesystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.

Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere dazu, ein Elektrolysesystem energetisch effizient zu betreiben.

Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Elektrolysesystems vorgestellt.

Das vorgestellte Verfahren umfasst das Maximieren eines Füllstands eines Gas- Flüssig-Separators des Elektrolysesystems insbesondere des Fh-seitigen Gas- Flüssig-Separators und ggf. des Oj-seitigen Gas-Flüssig-Separators bevor eine Elektrolysetätigkeit des Elektrolysesystems eingestellt wird und das Spülen zumindest eines Zellstapels des Elektrolysesystems mit einem ersten Fluid und mindestens einem von dem ersten Fluid unterschiedlichen weiteren Fluid, bspw. einem zweiten bzw. dritten Fluid bevor die Elektrolysetätigkeit des Elektrolysesystems eingestellt wird.

Unter einem Maximieren eines Füllstands eines Gas-Flüssig-Separators ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Erhöhen einer in dem Gas-Flüssig- Separator vorhandenen Menge an Flüssigkeit bzw. ein Minimieren einer in dem Gas-Flüssig-Separator vorhandenen Gasphase zu verstehen. Insbesondere umfasst das Maximieren des Füllstands eines Gas-Flüssig-Separators ein vollständiges Füllen des Gas-Flüssig-Separators bzw. ein Füllen des Gas- Flüssig-Separators bis zu einem vorgegebenen Sollpegel bzw. Mindestpegel.

Die vorgestellte Erfindung basiert auf dem Prinzip der vorausschauenden Betriebsführung, bei der einerseits die Sicherheitsaspekte durch Spülen des Zellstapels bzw. weitere Teile des Elektrolysesystems mit Inertgas wie bspw. Stickstoff erfüllt werden, gleichzeitig jedoch die Auswirkungen eines dadurch bedingten Fremdgaseintrags durch eine Füllstandsregelung im Gas-Flüssig- Separator und eine Spülprozedur mit mehreren verschiedenen Fluiden reduziert werden. Dadurch können zu verwerfende Fh-Mengen reduziert werden, was den Fh-Ertrag und die energetische Effizienz eines entsprechenden Elektrolysesystems insbesondere bei häufigen Standby und/oder Ausschaltzeiten deutlich verbessert bzw. maximiert.

Durch den Füllstand einer Flüssigkeit im Gas-Flüssig-Separator wird direkt die Gasmenge im Gas-Flüssig-Separator beeinflusst Dabei gilt je höher der Füllstand, desto geringer die Gasmenge. Im Normalbetrieb wird der Füllstand der Flüssigkeit auf ein konstantes Maß bzw. einen konstanten Pegel eingeregelt, um Verweilzeiten einer Zweiphasenmischung und damit das Ausgasen der jeweiligen Produkt-Gase H2 bzw. O2 zu optimieren.

Gemäß dem vorgestellten Verfahren kann insbesondere vorgesehen sein, dass bei geplantem bzw. absehbarem Einstellen bzw. Abschalten einer Elektrolysetätigkeit des Elektrolysesystems der Füllstand des Gas-Flüssig- Separators bspw. mit einem zeitlichen Vorlauf, insbesondere zwischen 30 Minuten bis 60 Minuten kontinuierlich erhöht wird, um bspw. bis zum Abschalten des Zellstapels bzw. zum Standby des Elektrolysesystems einen maximalen Füllstand an Flüssigkeit in dem Gas-Flüssig-Separator zu erreichen und entsprechend einen in dem Gas-Flüssig-Separator verbliebenen Gasraum auf ein Minimum zu reduzieren. Insbesondere kann das Maximieren und das Spülen während eines Abschaltens bzw. während eine Abschaltprozedur eingeleitet bzw. durchgeführt wird, ausgeführt werden, sodass ein entsprechendes Elektrolysesystem für einen ausgeschalteten Zustand und insbesondere einen Zustand der Wiederinbetriebnahme konditioniert wird.

Die Zunahme des Füllstands an Flüssigkeit in dem Gas-Flüssig-Separator kann bspw. dadurch erreicht werden, dass die abgeleitete Menge am wasserseitigen Ausgang des Gas-Flüssig-Separators an einem Auslassventil gedrosselt oder ganz eingestellt wird. In einer weiteren Ausführungsform kann auch aktiv Flüssigkeit zugeleitet werden, um den Füllstand beispielsweise besonders schnell zu erhöhen.

Es kann vorgesehen sein, dass das Verfahren weiterhin das Ermitteln einer Auslösebedingung, die zum Einstellen der Elektrolysetätigkeit des Elektrolysesystems führt, umfasst. Das Ermitteln der Auslösebedingung kann bspw. ein Empfang eines Abschaltbefehls, ein Ermitteln einer Spannung in einem Spannungsversorgungssystem, die unter einem vorgegebenen Sollwert liegt, die Prognose über verfügbare elektrische Leistung sowie deren Preis bspw. an der Börse sein und/oder eine Meldung über ein zu erwartendes Wetterphänomen gemäß einer vorgegebenen Liste an Wetterphänomenen sein.

Entsprechend kann durch das vorgestellte Verfahren ein Elektrolysesystem auf einen Vorgang zum Einstellen einer Elektrolysetätigkeit des Elektrolysesystems bzw. auf einen möglichst effizienten Wiederstart vorbereitet werden.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das erste Fluid Stickstoff umfasst und das weitere Fluid deionisiertes Wasser umfasst.

Durch ein Spülen mit deionisiertem Wasser bzw. deionisiertem Wasser haltigem Fluid nach einem Spülvorgang mit Stickstoff bzw. stickstoffhaltigem Fluid, wird eine Stickstoffkonzentration in dem Elektrolysesystem, insbesondere dem Zellstapel des Elektrolysesystems minimiert, sodass eine Menge an bei einem Wiederstart zu verwerfendem frischem Hj-haltigen Gas sich ebenfalls minimiert.

Dazu kann bspw. die Menge an zu verwerfendem Fh-haltigem Gas in Abhängigkeit einer N2- Konzentration oder einer H2- Konzentration in dem Gas gewählt werden oder eine vorgegebene Zeitspanne, für die frisch produziertes Fh-haltiges Gas zu verwerfen ist, entsprechend kurz, bspw. halb so lange wie bei einem Betrieb ohne das vorgestellte Verfahren, gewählt werden.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das erste Fluid und später das weitere Fluid gleichzeitig über den Zellstapel, Verbindungsleitungen und den Gas- Flüssig-Separator geleitet werden.

Alternativ kann vorgesehen sein, dass in einem ersten Spülschritt das erste Fluid zunächst ausschließlich über den Zellstapel geleitet wird, danach in einem zweiten Spülschritt das weitere Fluid ausschließlich über den Zellstapel geleitet wird, und in einem dritten Spülschritt das weitere Fluid über Verbindungsleitungen und schließlich über den Gas-Flüssig-Separator geleitet wird.

Durch ein exklusives Spülen des Zellstapels mit dem ersten Fluid werden Sicherheitsanforderungen an das Elektrolysesystem eingehalten und eine Stickstoffkonzentration in dem Elektrolysesystem minimiert

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das weitere Fluid direkt aus dem Gas- Flüssig-Separator entnommen wird oder über eine Zuleitung aus einem externen System zugeführt wird.

Da sich in den Gas-Flüssig-Separatoren eines jeweiligen Elektrolysesystems in der Regel deionisiertes Wasser sammelt, kann dieses zum Spülen des Elektrolysesystems nach einer Spülung mit bspw. Stickstoff bzw. einem stickstoffhaltigen Fluid verwendet werden.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Elektrolysesystem mittels mindestens eines Ventils in eine Vielzahl separat durchströmbarer Spülbereiche unterteilt wird.

Durch eine Vielzahl separat durchströmbarer Spülbereiche kann die Menge eines zur Spülung eines jeweiligen Spülbereichs eingesetzten Fluids an ein Volumen eines jeweiligen Spülbereichs angepasst und entsprechend minimiert werden.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass jeder Spülbereich über ein separates Zuführventil und/oder Abführventil mit dem ersten Fluid und/oder dem weiteren Fluid durchströmt wird.

Durch ein separates Zuführventil und/oder Abführventil für einen jeweiligen Spülbereich kann ein räumlich begrenztes Spülen bzw. ein Spülen mit einer besonders hohen Konzentration an bspw. dem ersten Fluid unabhängig von jeweiligen anderen Spülbereichen durchgeführt werden.

Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Elektrolysesystem. Das vorgestellte Elektrolysesystem umfasst mindestens einen Zellstapel, mindestens einen Gas-Flüssig-Separator (üblicherweise mindestens einen Gas- Flüssig-Separator für Anoden- und Kathodenseitiges Gas), ein Spülsystem und eine Recheneinheit. Die Recheneinheit ist dazu konfiguriert, eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens durchzuführen.

Es kann vorgesehen sein, dass das Elektrolysesystem in eine Vielzahl Spülbereiche unterteilt ist, wobei jeder Spülbereich über ein separates Zuführventil und/oder Abführventil mit dem ersten Fluid und dem mindestens weiteren Fluid durchströmbar ist.

Vorteile, die zu dem Verfahren zum Betreiben eines Elektrolysesystems gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung vorgesehen sind, gelten entsprechend auch bei dem Elektrolysesystem gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.

Es zeigen:

Fig. 1 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Elektrolysesystems,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer weiteren möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Elektrolysesystems.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele In Fig. 1 ist ein Verfahren 100 zum Betreiben eines Elektrolysesystems dargestellt.

Das Verfahren 100 umfasst einen Maximierungsschritt 101 , bei dem ein Füllstand eines oder beider Gas-Flüssig-Separatoren des Elektrolysesystems maximiert wird, bevor eine Elektrolysetätigkeit des Elektrolysesystems eingestellt wird.

Weiterhin umfasst das Verfahren 100 einen Spülschritt 103, bei dem zumindest ein Zellstapel des Elektrolysesystems mit einem ersten Fluid und einem von dem ersten Fluid unterschiedlichen weiteren Fluid gespült wird, bevor die Elektrolysetätigkeit des Elektrolysesystems eingestellt wird.

In Fig. 2 ist die Wasserstoffseite eines Elektrolysesystems 200 dargestellt, mit einem Zellstapel 201 , einem Gas-Flüssig-Separator 203, einem Spülsystem mit mehreren Spülventilen 205, 207, 209, 211 und 213 sowie einer optionalen Pumpe 215 und einer Recheneinheit 217. Darüber hinaus umfasst das Elektrolysesystem 200 hier nicht dargestellt 02-seitig einen weiteren Gas- Flüssig-Separator sowie ggf. eine Pumpe, einen Wärmetauscher und einen Filter /lonentauscher.

In Fig. 2 ist beispielhaft ein Zellstapel 201 dargestellt. Die erfindungsgemäße Idee umfasst auch Elektrolysesysteme mit mehreren Zellstapeln, die jeweils an einen gemeinsamen Fh-seitigen bzw. Oj-seitigen Gas-Flüssig-Separator angebunden sind.

Die Recheneinheit 217 ist dazu konfiguriert ist, die Spülventile 205, 207, 209, 211 und 213 sowie die Pumpe 215 derart anzusteuern, dass das Verfahren 100 gemäß Fig. 1 abläuft.

Über Ventil 213 kann ein Füllstand des Gas-Flüssig-Separators 203 eingestellt werden. Über Ventile 205, 207, 209 und 211 wird ein Spülen von Leitungen bzw. Abschnitten von Leitungen und ein sicheres Verwerfen jeweiliger Fluide ermöglicht. In Fig. 3 ist die Wasserstoffseite eines Elektrolysesystems 300 dargestellt, mit einem Zellstapel 301 , einem Gas-Flüssig-Separator 303, einem Spülsystem mit mehreren Spülventilen 305, 307a, 307b, 309a, 309b, 311 und 313 sowie einer optionale Pumpe 315 und einer Recheneinheit 317. Darüber hinaus umfasst das Elektrolysesystem 399 hier nicht dargestellt Oj-seitig einen weiteren Gas-Flüssig- Separator sowie ggf. eine Pumpe, einen Wärmetauscher und einen Filter /lonentauscher.

Die Recheneinheit 317 ist dazu konfiguriert, die Spülventile 305, 307a, 307b, 309a, 309b, 311 und 313 sowie die Pumpe 315 derart zu steuern, dass jeweilige Spülbereiche des Elektrolysesystems separat voneinander und ggf. mit einer spezifischen Konzentration am ersten Fluid bzw. weiteren Fluid gespült werden und die Fluide sicher verworfen werden können.

Claims

Ansprüche

1 . Verfahren (100) zum Betreiben eines Elektrolysesystems (200, 300), wobei das Verfahren (100) umfasst:

- Maximieren (101) eines Füllstands eines Gas-Flüssig-Separators (203, 303) des Elektrolysesystems (200, 300) bevor eine Elektrolysetätigkeit des Elektrolysesystems (200, 300) eingestellt wird,

- Spülen (103) zumindest eines Zellstapels (201 , 301) des Elektrolysesystems (200, 300) mit einem ersten Fluid und einem von dem ersten Fluid unterschiedlichen weiteren Fluid, bevor die Elektrolysetätigkeit des Elektrolysesystems (200, 300) eingestellt wird.

2. Verfahren (100) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Maximieren und das Spülen für wasserstoffseitige Leitungen und/oder einen wasserstoffseitigen Gas-Flüssig-Separator (203,303) durchgeführt werden.

3. Verfahren (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren (100) weiterhin umfasst:

- Ermitteln einer Auslösebedingung, die zum Einstellen der Elektrolysetätigkeit des Elektrolysesystems (200, 300) führt.

4. Verfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Fluid Stickstoff umfasst und das weitere Fluid deionisiertes Wasser umfasst.

5. Verfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Fluid und später das weitere Fluid gleichzeitig über den Zellstapel (201 , 301), Verbindungsleitungen und den Gas-Flüssig- Separator (203, 303) geleitet werden.

6. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Spülschritt das erste Fluid zunächst ausschließlich über den Zellstapel (201 , 301) geleitet wird, danach in einem zweiten Spülschritt das weitere Fluid ausschließlich über den Zellstapel (201 , 301) geleitet wird, und in einem dritten Spülschritt das weitere Fluid über Verbindungsleitungen und schließlich über den Gas-Flüssig-Separator (203, 303) geleitet wird.

7. Verfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Fluid direkt aus dem Gas-Flüssig-Separator (203, 303) entnommen wird und/oder über eine Zuleitung aus einem externen System zugeführt wird.

8. Verfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrolysesystem (200, 300) mittels mindestens eines Ventils in eine Vielzahl separat durchströmbarer Spülbereiche unterteilt wird.

9. Verfahren (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Spülbereich über ein separates Zuführventil und/oder Abführventil mit dem ersten Fluid und/oder dem weiteren Fluid durchströmt wird.

10. Elektrolysesystem (200, 300), wobei das Elektrolysesystem (200, 300) umfasst:

- einen Zellstapel (201 , 301),

- einen Gas-Flüssig-Separator (203, 303),

- ein Spülsystem, und - eine Recheneinheit (217, 317), wobei die Recheneinheit (217, 317) dazu konfiguriert ist, ein Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen.

11. Elektrolysesystem (200, 300) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrolysesystem (200, 300) in eine Vielzahl Spülbereiche unterteilt ist, wobei jeder Spülbereich über ein separates Zuführventil und/oder Abführventil mit dem ersten Fluid und dem weiteren Fluid durchströmbar ist.