EP4751000A1 - Offshore-elektrolysesystem sowie verfahren zum betrieb eines offshore-elektrolysesystems - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Offshore-Elektrolysesystem (100) umfassend eine Windkraftanlage (1) mit einer Plattform (3) und mit einer auf der Plattform (3) angeordneten Elektrolyseanlage (5), welche zur Versorgung mit Elektrolysestrom an die Windkraftanlage (1) angeschlossen ist, und weiter umfassend eine an die Elektrolyseanlage (5) gekoppelte Wärmeversorgungseinrichtung (7), die eine Verbrennungseinrichtung aufweist (13), wobei ein Brennstoffreservoir (15) an die Wärmeversorgungseinrichtung (7) angeschlossen ist, so dass in einem Stillstandsbetrieb mittels der Verbrennungseinrichtung (13) erzeugte Wärme auf die Elektrolyseanlage (5) übertragbar ist, so dass eine Temperaturhaltung oberhalb einer Mindesttemperatur bewirkt ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb eines entsprechenden Offshore-Elektrolysesystems (100), wobei in einem Stillstandsbetrieb Wärme mittels der Wärmeversorgungseinrichtung (7) erzeugt und auf die Elektrolyseanlage (5) übertragen wird, so dass eine Temperaturhaltung oberhalb einer Mindesttemperatur herbeigeführt und ein Einfrieren von wasserführenden Komponenten der Elektrolyseanlage (5) verhindert wird.

Description

Beschreibung

Of f shore-Elektrolysesystem sowie Verfahren zum Betrieb eines Of f shore-Elektrolysesystems

Die Erfindung betri f ft ein Of f shore-Elektrolysesystem sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Of f shore-Elektrolysesystems .

Eine Elektrolyseanlage ist eine Vorrichtung, die mit Hil fe von elektrischem Strom eine Stof fumwandlung herbei führt (Elektrolyse ) . Entsprechend der Viel falt an unterschiedlichen elektrochemischen Elektrolyseprozessen gibt es auch eine Viel zahl von Elektrolyseanlagen, wie beispielsweise eine Elektrolyseanlage für eine Wasserelektrolyse . Zur Gleichstromversorgung mit Elektrolysestrom sind Elektrolyseanlagen an Energieerzeugungsanlagen angeschlossen, so dass in der Kombination ein Elektrolysesystem gebildet ist . Typischerweise weist eine Elektrolyseanlage eine Anzahl von Elektrolyseuren auf , so dass bei entsprechender Skalierung große Elektrolyseleistungen für die elektrochemische Stof fumwandlung erzielbar sind .

Wasserstof f wird heutzutage beispielsweise mittels Proton Exchange Membrane ( PEM) -Elektrolyse oder alkalischer Elektrolyse aus Wasser erzeugt . Die Elektrolyseanlagen produzieren mit Hil fe elektrischer Energie Wasserstof f und Sauerstof f aus dem zugeführten Wasser . Dieser Prozess findet in einem Elektrolysestack, zusammengesetzt aus mehreren Elektrolysezellen, statt . In dem unter DC-Spannung stehenden Elektrolysestack wird als Edukt Wasser eingebracht , wobei nach dem Durchlauf durch die Elektrolysezellen zwei Fluidströme , bestehend aus Wasser und Gasblasen ( 0₂ bzw . H₂ ) austreten .

Aktuelle Überlegungen gehen dahin, mit überschüssiger Energie aus erneuerbaren Energiequellen in Zeiten mit viel Sonne und viel Wind, also mit überdurchschnittlicher Solarstrom- oder Windkrafterzeugung, Wertstof fe zu erzeugen . Ein Wertstof f kann insbesondere Wasserstof f sein, welcher durch Wasser- Elektrolyseanlagen erzeugt wird . Mittels Wasserstof fs kann beispielsweise sogenanntes EE-Gas hergestellt werden . Ein EE- Gas ist ein brennbares Gas , welches mit Hil fe elektrischer Energie aus erneuerbaren Quellen gewonnen wird .

Wasserstof f stellt dabei einen besonders umweltf freundlichen und nachhaltigen Energieträger dar . Er hat das einzigartige Potential Energiesysteme , Verkehr und große Teile der Chemie ohne C02-Emissionen zu realisieren . Damit dies gelingt , darf der Wasserstof f allerdings nicht aus fossilen Quellen stammen, sondern muss mit Hil fe von erneuerbaren Energie produziert werden .

Eine Quelle für erneuerbare Energien ist die Windkraft . Insbesondere mit küstennahen, sogenannten Of fshore- Windkraf tanlagen lassen sich große elektrische Leistungen realisieren . Heraus forderend ist allerdings , dass eine große Distanz zu den Verbrauchern zu überwinden ist . Die Energie sollte also möglichst verlustfrei zum Verbraucher transportiert werden . Als Transportmedium eignet sich sehr gut Wasserstof f . Dieser kann zum Beispiel durch Pipelines in gas förmiger Form transportiert werden . Ein positiver Nebenaspekt hierbei ist , dass eine Wasserstof f- führende Pipeline gleichzeitig die Funktion eines Energiespeichers erfüllen kann, da der innere Druck in gewisssen Grenzen variiert werden kann . Aus dieser Überlegung heraus ist es von besonderem Interesse , den Wasserstof f direkt am Ort der Energiegewinnung zu produzieren, also Elektrolyseanlagen Of fshore direkt an Of fshore-Windkraf tanlagen oder in deren unmittelbarer Nähe zu platzieren . So werden aktuell beispielsweise Of f shore-Elektrolysesysteme diskutiert , bei denen direkt auf einer Plattform einer of fshore-

Windkraf tanlage eine Elektrolyseanlage aufgestellt ist . Dabei kann die Windkraftanlage mit der Elektrolyseanlage zu einem weitgehend autarken, d . h . nahezu netzunabhängigen Elektrolysesystem zusammengeschaltet und speziell für einen Of f shore- Inselbetrieb ausgestattet sein . Im besten Fall können diese Elektrolysesysteme umfassend eine Kombination aus einer Windkraftanlage und einer Elektrolyseanlage auch völlig ohne eine hil fweise Kopplung an ein Stromnetz zur Versorgung errichtet und ausschließlich für einen Inselbetrieb ertüchtigt sein . Dies betri f f ft vor allem weit außerhalb der Küste errichtete Elektrolysesysteme , um lange Anschlusswege an das öf fentliche Netz der Küstenregion zu vermeiden . Die Elektrolyseanlage mit einer Anzahl von Elektrolyseuren wird dabei idealerweise unmittelbar in der Nähe der erneuerbaren Energiequellen, d . h . der Windenergieanlage , platziert um sowohl Trans formations- als auch Leitungsverluste zu verringern oder zu vermieden . Daher werden derzeit mit großer Intensität Of f shore-Elektrolyse- systeme mit Elektrolyseanlagen entwickelt , welche direkt auf einer Plattform mit einer Of fshore- Windkraf tanalage aufgestellt werden . Bei einer solchen Kopplung, egal ob „onshore" oder „of fshore" kann diese Anlage auch ohne Anschluss an das Stromnetz betrieben werden . Ohne eine Netzkopplung steht während einer Windstille , Flaute oder geplanten Revision z . B . an der Turbine der Windkraftanlage hingegen weder Strom durch den Generator noch durch das Stromnetz zur Verfügung .

Bei Of f shore-Elektrolysesystemen muss ein besonderes Augenmerk auf die Vermeidung von Korrosion der Elektrolyseanlage gelegt werden, denn durch das Vorhandensein von Sal zwasser können signi fikant höhere Korrosionsraten auftreten, was einen längeren unterbrechungs freien Betrieb einer Elektrolyseanlage gefährdet . Prinzipiell kann man Of f shore-Elektrolyseanlagen mit Elektrolyseuren ausstatten, und diese innerhalb von geschlossenen Gehäusen, den Containern, unterbringen . Dadurch kann ein gewisser Schutz vor den äußeren Umwelteinflüssen für den Elektrolyseur erzielt werden . Allerdings muss betriebsbedingt der Elektrolyseur in einem Normalbetrieb gekühlt werden, um die entstehende Abwärme aus dem Elektrolyseprozess kontinuierlich an die Umgebung abzuführen . Generell ist im Vergleich zu Onshore-Elektrolyseanlagen das Wärmemanagement bei Of fshore installierten-Elektrolyseanlagen ganz besonders heraus fordernd, und zwar sowohl hinsichtlich einer notwendigen Kühlung im Normalbetrieb als auch einer Mindesttemperaturhaltung bei einem längeren Stillstandsbetrieb . Bei letzterem Betriebsmodus ist vor allem etwa bei einer Dunkel flaute und Stillstand der Windeneergieanlage in den Wintermonaten ein ausreichender Gefrierschutz der wassergetränkten Elektrolyezellen der Elektrolyseure sicherzustellen . Hinsichtlich der Kühlungsanforderungen im Normalbetrieb bei Of f shore-Elektrolyseanlagen ist daher zumindest eine geschlossene Containerbauweise , also Einhausung zum Schutz des Elektrolyseurs etabliert , mit der Anforderung zugleich einerseits eine Überhitzung und Versagen der Elektrolseure sowie andererseits eine schädigende Korrosion durch maritime Sal zexposition zu vermeiden . Somit ist bei einer Of f shore-Elektrolyseanlage eine Schnittstelle und Austausch zwischen dem Elektrolyseur und der Umgebung letztendlich unvermeidbar, um den Wärmestrom der Prozesswärme im Normalbetrieb geeignet abzuführen und einen sicheren Betrieb zu ermöglichen .

Um die Elektrolyseure vor Umwelteinflüssen zu schützen, benötigen sie daher wie oben ausgeführt eine Umhausung wie z . B . einen Container . PEM-Wasserelektrolyseure müssen weiterhin mit demineralisiertem, insbesondere hochreinem, Wasser betrieben werden . Die Innentemperatur des Containers darf daher zugleich aber auch eine Temperatur von circa 5 ° C üblicherweise nicht unterschreiten . Die wasserführenden Komponenten, welche Wasser beinhalten, können ansonsten einfrieren und den Betrieb der ganzen Anlage lahmlegen . Dies würde dem Zweck eines möglichst wartungsarmen und autarken Betriebs von Of fsho- re-Elektrolysesystemen mit Windkraftanlagen ohne Netzkopplung zuwider lauf en .

Bei einer Außentemperatur außerhalb der Einhausung, welche niedriger als 5 ° C ist , wird Wärme durch Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung aus dem Inneren des Containers nach außen transportiert . Bei der minimalen Auslegungstemperatur im Außenbereich von -20 ° C dissipieren dann etwa 1 bis 2 kW Wärmeenergie pro Stunde aus einem j eweiligen Container der Elektrolyseanlage . Der Wärmeverlust hängt indes unter anderem von der I solation des Containers selbst ab . Diese Wärme muss dem Container wieder zugeführt werden, um die 5 ° C einigermaßen konstant zu halten und einen Gefrierschaden sicher zu vermeiden . Diese Temperaturhaltung im Container kann bei einem Normalbetrieb der Elektrolyseanlage , d . h . bei einer Versorgung mit Elektrolysestrom aus der Windkraftanlage auch bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen gewährleistet werden, da genügend Abwärme aus dem Elektrolyseprozess zur Verfügung steht .

Wenn hingegen bei einer sehr kalten Witterung zugleich kein erneuerbarer Strom zur Verfügung steht , etwa weil kein Wind weht oder beispielweise bei einem erforderlichen Anlagenstillstand der Windkraftanlage zu ggf . unvorhergesehenen Wartungs zwecken, muss die Wärmeenergie für eine notwendige Temperaturhaltung der Elektrolyseanlage anderweitig und sicher bereitgestellt werden . Andernfalls drohen irreversible Schädigungen der Elektrolysezellen durch Frostschäden und sogar ein Totalverlust der in der Elektrolyseanlage verbauten Elektrolyseure . Die wasserführenden Leitungen zwischen den Containern beziehungsweise Einhausungen, müssen gleichfalls entsprechend auf einer Mindesttemperatur gehalten werden, damit sie nicht Gefahr laufen, einzufrieren . Auch dafür wird Energie benötigt , welche bei Windstille aus anderen Quellen zur Verfügung gestellt werden muss .

Bereits teilweise vorgeschlagene Lösungen umfassen die Verwendung von und den Rückgri f f auf entsprechend aus zulegende Batteriespeicher bei dem Elektrolysesystem . Durch den Batteriespeicher steht elektrische Leistung zur Verfügung, um eine elektrische Hei zung und eine Temperaturhaltung aufrecht zu erhalten . Diese Lösung hat j edoch erhebliche Nachteile . So ist die Kapazität von Batterieaggregaten einerseits sowie der Bauraum auf einer Of f shore-Plattform andererseits deutlich eingeschränkt . Realistisch wären für den vorliegenden Einsatz auf einer Plattform einer Of f shore-Windkraf tanlege beispielsweise recht hohe Batteriekapazitäten von mindestens etwa 100 bis 150 kWh erforderlich, um auch für längere Zeit eines Stillstandbetriebs eine Temperaturhaltung sicherzustellen .

Die erscheint mit den derzeitig verfügbaren Batterietechnologien unwirtschaftlich . Gerade auch bei kalten Umgebungstemperaturen bremst die Kälte den Akku aus . Denn das Elektrolyt wird durch die Kälte zähflüssiger und schwieriger zu durchdringen . Dadurch kommen weniger Ionen am Pluspol an und die Batterieleistung sinkt schlagartig ab . Durch die Kälte werden Prozesse im Akku stark verlangsamt und die Batterie verschleißt schneller als üblich . Sogenannte Batterie-Energiespeicher-Systeme (BESS ) haben überdies den Nachteil das sie recht teuer, groß und schwer sind . Daher besteht ein dringender Bedarf nach anderen, besseren Lösungen für eine Temperaturhaltung in einem Stillstandbetrieb eines Of fshore- Elektrolysesystems .

Eine andere , wohl technische einfache Lösung ist die Integration eines Dieselgenerators zur Notstromversorgung und Betrieb einer Hei zeinrichtung auf der Of f shore-Plattform . Diese Lösung hat j edoch den Nachteil , dass der Diesel-Treibstof f regelmäßig nachgefüllt werden muss und somit der Grundgedanke und die Zielsetzung der Entwicklung von zuverlässigen CO2- freien Of f shore-Elektrolysesystemen mit diesem Ansatz nicht verwirklicht werden kann .

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Of fsho- re-Elektrolysesystem anzugeben, das einen sicheren und umweltverträglichen Betrieb ermöglicht , und dieses zugleich für einen möglichst autarken und wartungsarmen Betrieb aus zugestalten . Eine weitere Aufgabe ist es , ein Verfahren zum Betrieb eines Of f shore-Elektrolysesystems anzugeben .

Die auf ein Of f shore-Elektrolysesystem gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Of f shore-Elektrolyse- system umfassend eine Windkraftanlage mit einer Plattform und mit einer auf der Plattform angeordneten Elektrolyseanlage , welche zur Versorgung mit Elektrolysestrom an die Windkraftanlage angeschlossen ist , und weiter umfassend eine an die Elektrolyseanlage gekoppelte Wärmeversorgungseinrichtung, die eine Verbrennungseinrichtung aufweist , wobei ein Brennstof freservoir an die Wärmeversorgungseinrichtung angeschlossen ist , so dass in einem Stillstandsbetrieb mittels der Verbrennungseinrichtung erzeugte Wärme auf die Elektrolyseanlage übertragbar ist , so dass eine Temperaturhaltung oberhalb einer Mindesttemperatur bewirkt ist .

Die auf ein Verfahren zum Betrieb eines entsprechenden Of fs- hore-Elektrolysesystems gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Of fshore- Elektrolysesystems , wobei in einem Stillstandsbetrieb Wärme mittels der Wärmeversorgungseinrichtung erzeugt und auf die Elektrolyseanlage übertragen wird, so dass eine Temperaturhaltung oberhalb einer Mindesttemperatur herbeigeführt und ein Einfrieren von wasserführenden Komponenten der Elektrolyseanlage verhindert wird .

Die in Bezug auf die nachstehend angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen eines Of f shore-Elektrolysesystems lassen sich sinngemäß auf das Verfahren zum Betrieb des Elektrolysesystems übertragen .

Die Erfindung geht hierbei bereits von der Erkenntnis aus , dass die in verstärktem Maße installierten leistungsstärkeren netzunabhängigen Of f shore-Windenergieanlagen und deren wachsende elektrische Erzeugungsleistung entsprechend leistungsfähigere Elektrolyseanlagen erfordern . Es wird daher erwartet , dass die Leistungsklasse von Of fshore- Elektrolysesystemen und deren Anzahl entsprechend zukünftig stark ansteigen wird .

Damit einhergehende , steigende Anforderungen an den sicheren und umweltverträglichen Betrieb in einer maritimen Umgebung sind zu berücksichtigen . Durch die Skalierungsbemühungen hin zu größeren Of f shore-Elektrolysesystemen weit vor der Küste rückt die Frage eines möglichst autarken, d . h . netzunabhängigen Inselbetriebs mit 100% Wasserstof f erzeugung aus erneuerbarem Windstrom neben der Umweltverträglichkeit solcher Systeme in den Fokus der Diskussion . Hierbei ist einerseits unter Umweltgesichtspunkten ein möglichst eingri f fsarmer Betrieb zu gewährleisten . Ein autarker Lösungsansatz für eine sichere Temperaturhaltung der Elektrolyseanlage hinsichtlich der wasserführenden Komponenten, insbesondere der besonders empfindlichen wassergetränkten Elektrolysezellen einer PEM- Elektrolyseanlage , für Situationen mit einem Stillstandsbetrieb insbesondere bei Aus fall der Windkraftanlage und Entfall von Elektrolysestrom ist daher von entscheidender Bedeutung .

Mit dem Konzept der Erfindung ist eine Wärmeversorgung und Temperaturhaltung sichergestellt , so dass ein Versagen oder Verlust von wasserführenden Komponenten auch bei Frostgefahr während einer Dunkel flaute mit niedrigen Umgebungstemperaturen in den Wintermonaten nicht zu befürchten ist . Mit der Erfindung ist in einem Of f shore-Elektrolysesystem ein integriertes verbrennungsbasiertes Wärmehaltungskonzept implementiert , das sich in kritischen Witterungsbedingungen und Betriebssituationen durch eine besonders hohe Zuverlässigkeit und eine intrinsische Aus fallsicherheit aus zeichnet . Das Wärmeversorgungssystem weist hierzu eine Verbrennungseinrichtung und ein Brennstof f reservoir auf . Das Brennstof f reservoir kann dabei vorteilhaft als ein Element der Wärmeversorgungseinrichtung zusammen mit der Elektrolyseanlage Zusammenwirken und integriert sein, etwa auf der Plattform angeordnet . Die Verbrennungseinrichtung ist über eine Brennstof f leitung an das Brennstof f reservoir angeschlossen und beispielsweise als ein Verbrennungsreaktor ausgestaltet , aus dem unmittelbar oder mittelbar Wärme erzeugt und auf die wasserführenden frostgefährdeten Komponenten der Elektrolyseanlage übertragen werden kann . Damit ist ein praktisch wartungs freies Of fshore- Elektrolysesystem geschaf fen, bei dem der Gefahr von Frostschäden durch Einfrieren von wasserführenden Komponenten der Elektrolyseanlage , insbesondere des Elektrolyseurs und der Elektrolysezellen sicher begegnet wird . Dies führt zu einer hohen Lebensdauer und unmittelbaren Verfügbarkeit und Betriebsbereitschaft für die Wiederaufnahme des Normalbetriebs nach dem Stillstandsbetrieb . Durch das Brennstof f reservoir ist in besonders einfacher Weise ein wartungs freier Brennstof fvorrat zeitlich praktisch unbegrenzt als Reserve bereitgestellt , dessen Energieinhalt bei Bedarf unmittelbar oder mittelbar thermisch nutzbar ist , indem Brennstof f aus dem Brennstof f reservoir entnommen und energetisch umgewandelt wird . Die Verbrennungseinrichtung kann beispielsweise derart ausgestaltet sein, dass die Umwandlung als ein klassischer Verbrennungsprozess , d . h . basierend auf Oxidation des Brennstof fs und Reaktion mit Sauerstof f in einem Brenner unter unmittelbarer Wärmeentwicklung durch eine Flamme aus führbar ist . Es ist aber auch möglich, dass die Verbrennungseinrichtung eingerichtet ist eine elektrochemische Umwandlungsreaktion durchzuführen . In diesem Sinne ist die Verbrennungseinrichtung als Element der Wärmeversorgungseinrichtung allgemein als ein Reaktor oder Reaktionsraum auf zufassen, dem Brennstof f zugeführt wird und in welchem der Brennstof f umgewandelt wird, so dass in der Wärmeversorgungseinrichtung letztlich Wärme zur Tempertaturhaltung erzeugbar und an die Elektrolyseanlage übertragbar ist .

Das Of f shore-Elektrolysesystem der Erfindung erkennt und überwindet hier vorteilhafterweise erstmals die Nachteile herkömmlicher Wärmeversorgungskonzepte bei netzunabhängigen Elektrolysesystemen, die - wie oben geschildert - bedarfsweise auf sehr großen Batterieaggregate oder gar Dieselgeneratoren zurückgrei fen, die auf der Plattform zur Wärmeversorgung der Elektrolyseanlage installiert sind . Diese Ansätze erweisen sich auch unter Umweltgesichtspunkten als sehr nachteilig und überdies teuer und wartungsintensiv . Mit der verbrennungsbasierten Wärmeversorgungseinrichtung ist hingegen eine Temperaturhaltung auch über mehrere Tage und gar Wochen bei einer Dunkel flaute sichergestellt , wobei der Wärmeübertragung hinsichtlich einer erforderlichen Mindesttemperatur über den Brennstof fumsatz einstellbar ist , die eingehalten wird . Somit ist das Wärmeversorgungssystem auf eine minimale Wärmeabgabe und minimalen Wärmeverbrauch für die Temperaturhaltung auf den Bedarf der Elektrolyseanlage gezielt zur Überbrückung langer Phasen ohne Produktion von Elektrolysestrom durch die Windkraftanlage angepasst .

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Of fshore- Elektrolysesystems zweigt von der Elektrolyseanlage eine Produktgasleitung ab, an die das Brennstof f reservoir angeschlossen ist , so dass in einem Normalbetrieb aus der Elektrolyse erzeugtes Produktgas dem Brennstof f reservoir zuführbar ist .

Damit ist eine besonders vorteilhafte Bereitstellung von Brennstof f und Einleitung desselben in das Brennstof f reservoir zur Speicherung des Brennstof fs erreicht . Charakteristisch ist , dass der Brennstof f oder Vorprodukte des Brennstof fs als Produktgas in dem Elektrolyseprozess selbst erzeugbar und der Elektrolyseanlage entnehmbar sind . Über die Produktgasleitung wird das Brennstof f reservoir - j e nach dessen Ausgestaltung und Fassungsvermögen- bedarfsweise oder kontinuierlich mit Produktgas gefüllt oder nach einem Stillstandsbetrieb wieder nachgefüllt . Durch diese in-situ Bereitstellung von Produktgas ist ein autarkes Of f shore-Elektroly- sesystem vorgeschlagen, dass auch im Stillstandsbetrieb eine Temperaturhaltung gewährleistet . Dies ist insbesondere für einen bevorzugten Inselbetrieb des Of f shore-Elektrolysesy- stems von großer wirtschaftlicher Bedeutung .

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Of fshore- Elektrolysesystems ist die Produktgasleitung an eine Pipeline angeschlossen, wobei die Pipeline ein Brennstof f reservoir bildet , aus dem mittels einer Entnahmeleitung Produktgas entnehmbar ist .

Durch die Anbindung und Nutzung der Pipeline wird die Pipeline selbst neben der Durchleitung des Produktgases üblicherweise an eine Abnahmestation am Festland zusätzlich auch als Brennstof f reservoir nutzbar, mithin eine vorteilhafte Doppel- nutzung . Die Produktgasleitung mündet mittelbar oder unmittelbar in die Pipeline , wobei ein druckbehaftetes Produktgas bei einem Betriebsdruck des Produktgases in der Pipeline bereitgestellt ist . Über eine Entnahmeleitung an der Pipeline kann druckbehaftetes Produktgas bedarfsweise in dem Stillstandsbetrieb entnommen und der Verbrennungseinrichtung zur Wärmeerzeugung zugeführt werden . Durch den eingestellten und vorherrschenden Betriebsdruck in der Pipeline , kann das Produktgas selbsttätig ohne weitere Fördereinrichtungen wie z . B . Pumpen in die Verbrennungseinrichtung strömen .

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Of fshore- Elektrolysesystems ist die Produktgasleitung an einen Gasspeicher angeschlossen, wobei der Gasspeicher ein Brennstof freservoir bildet , aus dem mittels einer Entnahmeleitung Produktgas entnehmbar ist .

Damit ist alternativ oder zusätzlich zu der Pipeline ein Brennstof f reservoir in Form eines Gasspeichers bereitgestellt . Der Gasspeicher ist mit druckbehaftetem Produktgas über die Produktgasleitung im Normalbetrieb beladbar und als Druckgasspeicher ausgeführt . Auf diese Weise ist ein sehr großer Brennstof fvorrat an Produktgas bei einem Betriebsdruck speicherbar . Hil fsweise kann ein Gasverdichter zugeschaltet sein, um höhere Beladungsdrücke und damit Energiedichten in dem Gasspeicher zu erreichen . Von Vorteil ist zudem, dass der Gasspeicher pipelineunabhängig betrieben werden kann und z . B . auf der Plattform angeordnet und in das Elektrolysesystem integriert ist . Somit ist auch bei einem Pipelineschaden, Druckverlust in der Pipeline oder Wartungsarbeiten an der Pipeline ein Stillstandsbetrieb sichergestellt und eine Redundanz mit dem Gasspeicher, insbesondere dem Druckgasspeicher, geschaf fen .

In einer bevorzugten Ausgestaltung des Of f shore-Elektrolyse- systems ist der Gasspeicher an der Plattform vorgesehen und/oder innerhalb des Turms der Windkraftanlage eingebracht . Damit ist eine vollständige Integration des Gasspeichers in das Of f shore-Elektrolysesystem vorgeschlagen . Das Gasspeicher ist damit in räumlicher Nähe der Wärmeversorgungseinrichtung als Verbraucher und der Elektrolyseanlage als Erzeuger von Produktgas auf gestellt und betreibbar . Eine Beladung des Gasspeichers mit Produktgas über die Produktgasleitung und eine Entnahme von gespeichertem Produktgas über die Entnahmeleitung und Zufuhr zu der Verbrennungseinrichtung ist somit kompakt auf der Plattform realisierbar . Der Gasspeicher kann auf der Plattform aufgestellt oder unter der Plattform angebracht und damit herabhängend befestigt sein .

Alternativ oder zusätzlich zu einem Anbringen an der Plattform kann der Turm der Windkraftanlage den Gasspeicher aufnehmen .

In besonders vorteilhafter Weiterbindung und Ausstattung des Of f shore-Elektrolysesystem ist die Wärmeversorgungseinrichtung an einen Gasspeicher als Brennstof f reservoir angeschlossen und versorgt , welcher innerhalb des Turms der Windkraftanlage eingebracht ist . Auf diese Weise kann der Gasspeicher beispielweise einfach als eine Kavität innerhalb des Turms der Windkraftanlage selbst gebildet bzw . eingearbeitet sein . Der Gasspeicher ist dadurch vorzugsweise tief unter der Wasseroberfläche innerhalb des Turms eingelassen, um die möglichst konstante Umgebungstemperatur und damit Druckbedingungen in dem Gasbehälter unter Wasser aus zunutzen . Zugleich beeinträchtigt das Einbringen eines Gasspeichers in einer Kavität tief unten im Inneren des Turms kaum die mechanische Stabilität der Turmkonstruktion und der Gondel mit der Windturbine . Weiterhin wird Bauraum geschaf fen bzw . für den Druckgasspeicher ausgenutzt , da dieser Raum ansonsten ungenutzt bliebe . Der Gasspeicher benötigt bei dieser Ausgestaltung keinerlei Fläche oder Bauraum auf der Plattform selbst , letzterer kann ohne Einschränkung durch die Wärmeversorgungseinrichtung für die Elektrolyseanlage und deren Komponenten genutzt werden . In vorteilhafter Ausgestaltung weist bei dem Offshore- Elektrolysesystem der Gasspeicher einen Druckbehälter auf, in dem Produktgas einbringbar und speicherbar ist. Dabei ist vorzugsweise der Gasspeicher als Röhrenspeicher ausgeführt. Röhrenspeicher sind für hohe Gasdrucke ausgelegt und z.B. einfach unter der Plattform anzubringen und zu betreiben.

Auf diese Weise ist eine kompakter und leicht installierbarer Gasspeicher breitgestellt. Die Druckgasspeicherung von Produktgas kann in Stahlbehältern oder Behältern aus einem Verbundwerkstoff erfolgen. Gasförmiges und unter hohem Druck be- reitgestelltes Produktgas, insbesondere z.B. im Normalbetrieb erzeugter Wasserstoff (CGH₂ = Compressed Hydrogen) aus der Elektrolyseanlage, kann in zylindrischen Behältern aus Stahl gespeichert bzw. gelagert und transportiert werden. Dabei ist es auch möglich leichtere, kohlefaserummantelte Behälter aus Aluminium oder Kunststoff zum Einsatz zu bringen.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Offshore- Elektrolysesystems weist die Verbrennungseinrichtung eine Brennstoffzelle und ein Heizelement auf, so dass in einem Stillstandsbetrieb von der Brennstoffzelle Strom zum Betrieb des Heizelements bereitstellbar ist.

Die Brennstoffzelle ist dabei über die Entnahmeleitung an den Gasspeicher angeschlossen, um elektrochemische Umwandlung herbeizuführen. Die Gewinnung von elektrischer Energie aus chemischen Energieträgern erfolgt zumeist durch Verbrennung und Verwendung der entstehenden heißen Gase zum Betrieb einer Wärmekraftmaschine mit nachgeschaltetem Generator. So wird die chemische Energie zunächst durch Verbrennung in thermische Energie und dann in mechanische Arbeit umgewandelt, aus der schließlich im Generator Strom erzeugt wird. Eine Brennstoffzelle ist demgegenüber geeignet, die Umformung ohne die Umwandlung in Wärme und Kraft zu erreichen, und ist dadurch potenziell effizienter. Im Unterschied zur Verbrennungskraftmaschine wandelt sie chemische Energie unmittelbar in elektrische Energie um und unterliegt nicht dem inhärent schiech- ten Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschinen. Die theoretisch erreichbare Nutzarbeit ist allein durch die freie Enthalpie der chemischen Reaktion beschränkt und kann damit höher sein als bei der Koppelung einer Wärmekraftmaschine (Carnot-Wirkungsgrad) mit einem Generator zur Stromerzeugung.

Eine Brennstoffzelle ist ein technisches Gerät, das zu den elektrischen Energiequellen zählt: Sie wandelt die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie. Mit Brennstoffzelle ist in dem Of f shore-Elektrolysesystem vorzugsweise eine Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle gemeint. Durch die Elektrolyse von Wasser wird als Produktgas neben Sauerstoff auch Wasserstoff in der Elektrolyseanlage erzeugt, das dem Gasspeicher zuführbar und für einen Brennstoffzellenprozess nutzbar ist. Der Strom aus der Brennstoffzelle ist zum Betrieb des Heizelements nutzbar, so dass in einem Stillstandsbetrieb eine Temperaturhaltung der wasserführenden Systeme der Elektrolyseanlage durch Wärmeübertragung bewirkt ist. Bestimmte Brennstoffzellentypen können allerdings statt Wasserstoff andere Brennstoffe nutzen, insbesondere Methanol, Butan oder Erdgas. Zusammen mit den Akkumulatoren und den Batterien gehören Brennstoffzellen zu den galvanischen Zellen. Prinzipiell ist es also auch möglich andere Brennstoffe in dem Brennstoff reservoir vorzuhalten. Durch die Integration einer Wasserstoff-Sauerstoff Brennstoffzelle in die Wärmeversorgungseinrichtung ist eine Elektrolyseanlage auf Basis einer Wasser-Elektrolyse sehr vorteilhaft, da das maßgebliche Edukt für den Brennstoffzellenprozess als Produktgas aus der Elektrolyse erzeugt wird.

In weiter bevorzugter Ausgestaltung des Of f shore-Elektrolyse- systems ist der Brennstoffzelle Strom zur Aufrechterhaltung einer Steuerungseinrichtung der Elektrolyseanlage bereitstellbar .

Da die Brennstoffzelle elektrischen Strom bereitstellt, ist neben der Nutzung als Heizstrom in der Wärmeversorgungsein- richtung zusätzlich eine Nutzung für einen Bereitschaftsbetrieb möglich, bei dem insbesondere die Steuereinrichtungen der Elektrolyseanlage und kritische Anlagenkomponenten weiter versorgt werden .

Der Bereitschaftsbetrieb oder Standby-Betrieb ( auch Wartebetrieb ) ist der Zustand der Elektrolyseanlage , in dem die eigentliche Nutz funktion temporär deaktiviert ist , aber j ederzeit und ohne Vorbereitungen oder längere Wartezeiten wieder aktiviert werden kann . Für das Halten des Bereitschafts zustandes ist im Regel fall nur eine bestimmte , gegenüber dem Normalbetrieb reduzierte minimal Leistungsaufnahme notwendig .

In besonders bevorzugter Ausgestaltung des Of f shore-Elektro- lysesystems weist die Verbrennungseinrichtung einen Gasbrenner auf , so dass in einem Stillstandsbetrieb Produktgas in dem Gasbrenner verbrennbar und Wärme erzeugbar ist .

Gegenüber einer Brennstof f zelle ist die Ausstattung der Verbrennungseinrichtung mit einem Gasbrenner technisch weniger anspruchsvoll und gleichfalls zuverlässig . Hierbei wird unmittelbar Verbrennungswärme erzeugt , die auf ein Medium wie z . B . Wasser übertragbar ist . Der Gasbrenner ragt in einen Kessel mit dem zirkulierenden Medium, insbesondere Wasser, und wird über eine Entnahmeleitung mit dem gas förmigen Brennstof f aus dem Gasspeicher versorgt . Dabei nimmt das zirkulierende Medium die Wärme auf und wird erhitzt . Die Verbrennungswärme aus dem Gasbrenner steht so zur Temperaturhaltung zur Verfügung .

In besonders bevorzugter Ausgestaltung des Of fshore- Elektrolysesystems weist die Elektrolyseanlage einen in einem Container angeordneten Elektrolyseur sowie einen Wärmetauscher auf , welcher in einem Normalbetrieb für die Ableitung von Prozesswärme aus der Elektrolyse aus dem Container und in einem Stillstandsbetrieb für die Übertragung der in der Verbrennungseinrichtung erzeugten Wärme ausgelegt ist . Durch diese Ausstattung ist ein besonders sicherer und umweltverträglicher Betrieb einer Of f shore-Elektrolyseanlage in Containerbauweise mit einem in dem Container angeordneten Elektrolyseur, beispielsweise ein PEM-Elektrolyseur zur Wasserstof f erzeugung, ermöglicht . Zugleich ist vorteilhaft erreicht , dass entstehende Abwärme aus dem Elektrolyseprozess während des Normalbetriebs bei Bedarf zusätzlich die Temperaturhaltung im Stillstandsbetrieb in einem optionalen Wärmespeicher nutzbar gemacht werden kann und dann nicht einfach an die Umgebung abgegeben wird . Üblicherweise wird im Elektrolysebetrieb die Prozesswärme aus dem den Elektrolyseur umgebenden und vor Witterungseinflüssen und Sal zeintrag schützenden Container an die Umgebung abgeleitet . Durch einen optionalen Wärmespeicher stünde eine zusätzliches Wärmereservoir zur Verfügung .

Vorliegend ist der Wärmetauscher nun vorteilhaft derart eingerichtet , einerseits die Prozesswärme aus der Elektrolyse bei gezielt aus dem Container abzuleiten . Dadurch ist der Wärmetauscher im Normalbetrieb eine Unterstützung der Kühlung des Containers und damit des Elektrolyseurs mit der Viel zahl von Elektrolysezellen erreicht . Der Wärmetauscher kann hierzu beispielsweise primärseitig in einen von einer Kühlmittelpumpe angetriebenen Kühlmittelkreiskauf des Elektrolyseurs geschaltet sein und entsprechend thermisch daran gekoppelt , so dass eine gezielte Wärmeaufnahme und Abgabe sowie ggf . Weiterverwendung im Wärmeversorgungssystem sekundärseitig des Wärmetauschers erzielt ist . Damit ist vorteilhaft ein sicherer und umweltverträglicher Betrieb eines Of fshore- Elektrolysesystems in einer geschlossenen Containerbauweise mit einem in dem Container angeordneten Elektrolyseur, beispielsweise ein PEM-Elektrolyseur zur Wasserstof f erzeugung, und mit einer in dem Container angeordneten Kühlmittelpumpe oder einer an den Container dicht angeflanschten Kühlmittelpumpe ermöglicht . In letzterem Fall ist zwischen dem Container und der angeflanschten Kühlmittelpumpe eine Gehäuseeinheit gebildet , so dass in dem so verstandenen Sinne die Kühlmittelpumpe auch in dem Container angeordnet ist . Mit dem ge- schlossenen Kühlkreislauf ist die Wärmeaufnahme von Prozesswärme aus der Elektrolyse an der Anlage über den Wärmetauscher in dem Container erreicht . Dabei ist es auch möglich, dass auch mehrere Wärmetauscher vorgesehen sind, wobei ein entsprechend speziell konfigurierter Wärmetauscher Teil der Wärmeversorgungseinrichtung ist .

Andererseits ist in einem Stillstandsbetrieb der Wärmetauscher auch für die Übertragung der in der Verbrennungseinrichtung erzeugten Wärme konzipiert , so dass bedarfsweise ein bidirektionaler Wärmeaustausch möglich ist , d . h . eine Zweifachnutzung mit einer Kühlung in einem Normalbetrieb und einer Temperaturhaltung in einem Stillstandsbetrieb unter Aktivierung der Verbrennungseinrichtung und Erzeugung von Wärme .

In bevorzugter Ausgestaltung des Of f shore-Elektrolysesystems weist die Elektrolyseanlage einen Elektrolyseur für die Wasserelektrolyse auf , der auf einer Proton Exchange Membrane ( PEM) -Elektrolyse und/oder auf einer alkalischen Elektrolyse basiert mit Wasserstof f als Produktgas .

Damit sind bedarfsweise auch Kombinationen unterschiedlicher Elektrolyseure für die Wasserelektrolyse in dem Of fshore- Elektrolysesystem möglich und j e nach Auslastungskonzept anpassbar . Während alkalische Elektrolyseure im besten Fall quasistationär bei Nennleistung zu betreiben sind, sind PEM- Elektrolyseure teillast fähig, v . a . auch bei tieferer Teillast unter 30% der Nennleistung . Als Produktgase werden in beiden Technologien Wasserstof f und Sauerstof f erzeugt . Der Wasserstof f ist neben dem bestimmungsgemäßen Abtransport über eine Pipeline und Weiterverwendung an Land vorliegend teilweise in dem Brennstof f reservoir gespeichert und kann bedarfsweise in der Verbrennungseinrichtung zur Temperaturhaltung eingesetzt werden .

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betri f ft ein Verfahren zum Betrieb eines entsprechenden Of f shore-Elektrolysesystems . Dabei wird in einem Stillstandsbetrieb Wärme mittels der Wärmeversorgungseinrichtung durch Verbrennung eines Brennstof fs in der Verbrennungseinrichtung erzeugt und erzeugte Wärme auf die Elektrolyseanlage übertragen, so dass eine Temperaturhaltung oberhalb einer Mindesttemperatur herbeigeführt und ein Einfrieren von wasserführenden Komponenten der Elektrolyseanlage verhindert wird .

Das Verfahren ist vorteilhaft autark durchführbar, d . h . ohne einen Netzanschluss des Of f shore-Elektrolysesystems . Vielmehr ist das Elektrolysesystem für einen Inselbetrieb sehr vorteilhaft eingerichtet , so dass auch bei einer Dunkel flaute eine Temperaturhaltung sichergestellt und ein Einfrieren von wasserführenden Komponenten verhindert ist .

In bevorzugter Aus führung des Verfahrens , wird die Temperaturhaltung bei einer Außentemperatur von weniger als 5 ° C in Gang gesetzt , indem in der Verbrennungseinrichtung ein Brennstof f umgesetzt wird, wobei Wärme erzeugt und auf die wasserführenden Komponenten der Elektrolyseanlage übertragen wird, so dass ein Gefrierschutz bewirkt ist .

Zur Ankopplung bzw . Übertragung der in der Verbrennungseinrichtung erzeugten Wärme auf frostgefährdete wasserführende Komponenten der Elektrolyseanlage in einem Stillstandsbetrieb wird ein Wärmetauscher oder bedarfsweise mehrere Wärmetauscher verwendet . Ein Wärmetauscher kann dabei zugleich im Normalbetrieb zur Kühlung der Elektrolyseanlage und Ableitung der Prozesswärme aus der Elektrolyse eingesetzt werden, d . h . bidirektional auch zur auch zu Kühlungs zwecken des Elektrolyseanlage durch gezielte Ableitung der Prozesswärme eingesetzt werden .

In weiter bevorzugter Aus führung des Verfahrens wird in einer Brennstof f zelle Wasserstof f als Brennstof f umgesetzt und Strom erzeugt , wobei Strom zur Versorgung einer Steuerungseinrichtung der Elektrolyseanlage verwendet wird, wobei ein Bereitschaftsbetrieb aufrechterhalten wird . Dabei wird Wasserstof f als Produktgas in der Elektrolyseanlage erzeugt und bedarfsweise zwischengespeichert und für den Stillstandsbetrieb bereitgestellt . Vorteilhaft wird in einer Verbrennungseinrichtung mit der Brennstof f zelle unmittelbar Strom erzeugt , der einerseits als Hei zstrom für die Temperaturhaltung aber auch als Systemstrom für einen Bereitschaftsbetrieb elektrischer Komponenten der Elektrolyseanlage genutzt wird, insbesondere für den Weiterbetrieb der Steuereinrichtung der Elektrolyseanlage . Dadurch ist ein rasches Wiederanfahren nach Beendigung des Stillstandsbetrieb möglich und eine unverzügliche Einleitung der Startprozedur für einen Normalbetrieb des Elektrolysesystems .

Ausgestaltungen, Merkmale und/oder Vorteile , die sich vorliegend auf das Of f shore-Elektrolysesystem beziehen, beziehen sich in analoger Betrachtung auch auf das Betriebsverfahren, und umgekehrt . Aus führungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläutert . Hierin zeigen schematisch und stark vereinfacht :

FIG 1 ein Of f shore-Elektrolysesystem mit einer Elektrolyseanlage und mit einer Windkraftanlage ;

FIG 2 die thermische Ankopplung einer Wärmeversorgungseinrichtung an die Elektrolyseanlage und deren Funktionsweise in dem Of fshore- Elektrolysesystem;

FIG 3 eine Wärmeversorgungseinrichtung, bei der die Verbrennungseinrichtung eine Brennstof f zelle aufweist ;

FIG 4 eine Wärmeversorgungseinrichtung, bei der die Verbrennungseinrichtung einen Gasbrenner aufweist ;

FIG 5 eine schematische Seitenansicht eines Of fshore- Elektrolysesystems mit Brennstof f reservoir . Gleiche Bezugs zeichen habe in den Figuren die gleiche Bedeutung .

In FIG 1 ist ein Of f shore-Elektrolysesystem 100 dargestellt . Das Of f shore-Elektrolysesystem 100 umfasst eine Elektrolyseanlage 5 und eine Windkraftanlage 1 , die einen Turm 19 und einen Turbinenrotor aufweist , wie im oberen rechten Teil von FIG 1 abgebildet ist . Im unteren Bereich des Turms 19 ist an dem Turm 19 eine Plattform 3 oberhalb des Meeresspiegels 25 ( siehe FIG 5 ) befestigt , die speziell dafür konzipiert und ausgelegt ist , verschiedene Anlagenteile für den vorgesehenen Betrieb des Of f shore-Elektrolysesystems 100 auf zunehmen . Diese Anlagenteile sind im unteren Teil der FIG 1 in vergrößerter Darstellung beispielhaft gezeigt :

Auf der Plattform 3 ist eine Elektrolyseanlage 5 aufgestellt und systemisch mit der Windkraftanlage 1 zu dem Of fshore- Elektrolysesystem 100 verbunden . Auf der Plattform 3 sind hierzu insbesondere Container 9 aufgestellt , in denen - nicht näher dargestellte - Elektrolyseelemente wie etwa einzelne Elektrolyseure aufgenommen sind, so dass ein Schutz besonders empfindlicher Funktionskomponenten der Elektrolyseanlage 5 vor Witterungseinflüssen erzielt ist . Einzelne der auf der Plattform 3 auf gestellten Container 9 umfassen Steuerungseinrichtungen 27 oder so genannte „Balance-of-Plant"-Elemente und nehmen diese schützend auf . Hierbei handelt es sich um ausgewählte Container 9 , die üblicherweise für die alleinige Aufnahme und den Betrieb dieser Steuerungseinrichtungen 27 und ggf . weiteren Hil fssystemen der Elektrolyseanlage 5 Vorbehalten sind . Hingegen sind die Elektrolyseure für die elektrochemische Stof fumwandlung in eigens dafür vorgesehenen Containern 9 angeordnet . Weitere in den Containern 9 untergebrachte Komponenten oder Anlagenteile können auch Vorratsbehälter für Elektrolytlösung zum Betrieb der Elektrolyseure , oder insbesondere vollentsal ztes Wasser oder Kalilauge bei einer PEM oder wahlweise alkalischen Wasserelektrolyse der Elektrolyseure , oder dergleichen betref fen . Die Windkraftanlage 1 hat vorzugsweise vorliegend keine Netzanbindung oder Netzkopplung, sondern versorgt in dem autarken Of f shore-Elektrolysesystem 100 mit der auf genommenen Windenergie direkt die beschriebene Elektrolyseanlage 5 , die zur Herstellung von vorzugsweise grünem Wasserstof f aus der Wasserelektrolyse eingerichtet ist . Mithin ist das Of fshore- Elektrolysesystem 100 für einen netzunabhängigen Inselbetrieb eingerichtet und für einen autarken Einsatz in küstenferneren Regionen ausgestattet . Bei der Windkraftanlage 1 handelt es sich mithin um eine Of f shore-Windturbine . Von den Darstellungen den FIG 1 und FIG 5 abweichend, sind die erfindungsgemäß vorgestellten Mittel zur verbesserten Wärmeversorgung und Temperaturhaltung des Of f shore-Elektrolysesystems 100 aber auch auf „Onshore"-Anlagen ohne weiteres anwendbar .

Die Strategie der Bereitstellung der Elektrolyseanlage 5 über eine Anzahl von Containern 9 , vorzugsweise ISO-Container, gewährleistet vorteilhaft einen einfachen Wartungs- und Instandsetzungsprozess , und schützt die Anlagenteile gleichzeitig vor Klima- und Wettereinflüssen sowie vor Korrosion und schadhaften mechanischen Einflüssen während des Betriebs . Besonders gefährdet ist das Elektrolysesystem 100 in Situationen, in denen die Windkraftanlage 1 bei Frostbedingungen keinen Strom für die Elektrolyse produziert , so dass durch die akute Gefahr des Einfrierens wasserführender Systeme der Elektrolyseanlage 5 besteht , insbesondere bei einer länger anhaltenden Dunkel flaute mit einhergehender akuter Frostgefahr in einem Stillstandsbetrieb .

Dem wird durch die Erfindung mit einer Wärmeversorgungseinrichtung 7 begegnet , wie sie in das Elektrolysesystem 100 vorteilhaft integriert ist . So ist es möglich - wie in FIG 1 exemplarisch dargestellt , dass die Wärmeversorgungseinrichtung 7 in einem ausgewählten Container 9 des Of fshore- Elektrolysesystems 100 untergebracht ist oder dass ein Container 9 bestimmte Anlagenteile oder Funktionselemente der Wärmeversorgungseinrichtung 7 aufweist . Die Wärmeversorgungseinrichtung 7 ist hierbei an die Elektrolyseanlage 5 angekop- pelt und derart ausgestaltet , dass in einem Stillstandsbetrieb mittels der Wärmeversorgungseinrichtung 7 auf die Elektrolyseanlage 5 Wärme übertragbar ist , so dass eine Temperaturhaltung der wasserführenden Systeme oberhalb einer Mindesttemperatur bewirkt ist .

Die thermische Ankopplung der Wärmeversorgungseinrichtung 7 an die Elektrolyseanlage 5 und deren Funktionsweise in dem Of f shore-Elektrolysesystem 100 wird anhand FIG 2 näher gezeigt . Die Wärmeversorgungseinrichtung 7 weist eine Verbrennungseinrichtung 13 auf , die mit Brennstof f aus einem Brennstof f reservoir 15 über eine Entnahmeleitung 21 versorgt wird . Das Brennstof f reservoir 15 ist über eine Produktgasleitung 17 an die Elektrolyseablage 5 angeschlossen . Als Produktgas 23 wird in einem Normalbetrieb der Elektrolyseanlage 5 Wasserstof f H₂ erzeugt . Der Wasserstof f H₂ wird beispielsweise mittels Proton Exchange Membrane ( PEM) -Elektrolyse oder alkalischer Elektrolyse aus Wasser erzeugt . Die Elektrolyseanlage 5 produziert mit Hil fe elektrischer Energie Wasserstof f H₂ und Sauerstof f O₂ aus dem zugeführten Wasser . Dieser Prozess findet in einem Elektrolysestack, zusammengesetzt aus mehreren Elektrolysezellen, statt . In dem unter DC-Spannung stehenden Elektrolysestack wird als Edukt Wasser eingebracht , wobei nach dem Durchlauf durch die Elektrolysezellen zwei Fluidströme , bestehend aus Wasser und Gasblasen ( O₂ bzw . H₂ ) austreten, wobei die beiden Produktgase separiert und über eine j eweilige Produktgasleitung 17 abgeleitet werden . In einem Normalbetrieb der Elektrolyseanlage 5 wird das Brennstof f reservoir 15 mit Wasserstof f H₂ beladen, so dass Wasserstof f H₂ als Brennstof f bereitgestellt und für einen notwendigen Stillstandsbetrieb vorgehalten ist . Das Brennstof f reservoir kann als ein Gasspeicher 39 ausgeführt sein, beispielsweise als ein Röhrenspeicher, der mit Wasserstof f H₂ aus der Elektrolyseanlage 5 ggf . unter Anwendung einer Nachverdichtung unter einem hohen Speicherdruck beladen wird . Der Gasspeicher 39 kann dadurch auf einfache Weise als integraler Bestandteil der Of f shore-Elektrolysesystems 100 ausgestaltet und konzipiert sein und z . B . an deren Tragstuktur befestigt oder in einem Container 9 angeordnet sein . Die Verbrennungseinrichtung 13 ist über einen Wärmetauscher 11 mit der Elektrolyseanlage 5 thermisch gekoppelt . Hierbei sind eine Vorlaufleitung 47a und eine Rücklauf leitung 47b vorgesehen, die die thermische Kopplung und den Wärmeübertragung auf die Elektrolyseanlage zu deren Temperaturhaltung über den Wärmetauscher 11 bewirken . Der Wärmetauscher 11 ist primärseitig mit Wärme aus der Verbrennung gespeist , wobei die in der Verbrennungseinrichtung 13 in einem Stillstandsbetrieb erzeugte Wärme zunächst auf ein geeignetes Wärmetauschermedium, z . B . zirkulierendes Wasser, in einem Kessel übertragen wird . Sekundärseitig kann mit dem Wärmetauscher 11 das zirkulierende Prozesswasser aus der Elektrolyse damit die Wärme zur Mindesttemperaturhaltung aufnehmen, die in der Verbrennungseinrichtung 13 erzeugt wird . Somit wird ein Einfrieren von wasserführenden Komponenten der Elektrolyse 5 sicher verhindert . Der Stillstandsbetrieb wird bei Wegfall der Stromproduktion aus der Windkraftanlage 1 , z . B . infolge einer Dunkel flaute , und einer Außentemperatur von weniger an 5 ° C eingeleitet , indem in der Verbrennungseinrichtung 13 der in dem Brennstof f reservoir gespeicherte Wasserstof f H₂ umgesetzt wird . Die Verbrennungseinrichtung 13 kann als z . B . ein befeuerter Hei zkessel oder als ein elektrisch behei zter Hei zkessel ausgeführt sein . Somit kommen für die Wärmeerzeugung elektrisch betriebene Heißwasserbereiter oder brenngasbetriebene Heißwasserbereiter in Frage , die an den Wärmetauscher 11 primärseitig angekoppelt sind .

Diese Möglichkeiten werden nachfolgend anhand FIG 3 und FIG 4 ski z ziert und erläutert . Hierzu zeigt FIG 3 eine Wärmeversorgungseinrichtung 7 , bei der die Verbrennungseinrichtung 13 eine Brennstof f zelle 41 aufweist sowie ein Hei zelement 43 . Die Brennstof f zelle 41 setzt als Edukt Wasserstof f H₂ und Sauerstof f 0₂ um . Über eine Entnahmeleitung 21 wird Wasserstof f H₂ aus dem Brennstof f reservoir 15 entnommen und katho- denseitig zugeführt . Entsprechend kann reiner Sauerstof f 0₂ aus einem bereitgestellten Reservoir oder aus der Umgebungsluft - nach einer Gasreinigung - über eine Entnahmeleitung 21 anodenseitig der Brennstof f zelle 41 zugeführt werden . Die Brennstof f zelle 41 stellt in der Wärmeversorgungsvorrichtung 7 eine elektrische Leistung zur Hei zung bereit . In einem Stillstandsbetrieb versorgt die Brennstof f zelle 41 das Hei zelement 43 mit elektrischem Strom, so dass eine Widerstandshei zung bewirkt ist . Die erzeugte ohmsche Wärme kann entsprechend FIG 2 primärseitig ein Wärmetauschermedium erwärmen und einem Wärmetauscher 11 zugeführt werden . Es ist aber auch möglich, dass das Hei zelement 43 wärmeschaltungstechnisch unmittelbar in den Prozesswasserkreislauf der Elektrolyseanlage 5 geschaltet ist , indem das Hei zelement 43 beispielsweise innerhalb des Wärmetauschers 11 angeordnet ist bzw . in dieses mit den Hei zwendeln hineinragt . Auf diese Weise ist kein separates Wärmetauschermedium erforderlich, da ein Primärkreislauf entfällt . Über die Vorlaufleitung 47a und die Rücklaufleitung 47b des Wärmetauschers 11 ist gleichermaßen eine Temperaturhaltung bewirkt . Zugleich ist die Möglichkeit geschaffen elektrische Systeme der Elektrolyseanlage 5 , wie etwa einer Steuerungseinrichtung 27 , mit elektrischer Leistung aus der Brennstof f zelle 41 zu versorgen, so dass ein Bereitschaf tsbetrieb aufrechterhalten wird .

Demgegenüber zeigt FIG 4 eine Wärmeversorgungseinrichtung 7 , bei der die Verbrennungseinrichtung 13 einen Gasbrenner 45 aufweist , der zur Verbrennung von Wasserstof f H₂ ertüchtigt ist . Auch auf diese Weise kann auf das Produktgas 23 der Wasserelektrolyse aus dem Gasspeicher 39 vorteilhaft zurückgegri f fen werden . Das Produktgas 23 wird in einem Normalbetrieb der Elektrolyseanlage 5 erzeugt und in den Gasspeicher 39 eingespeichert und dort bereitgestellt . Der Gasbrenner 45 wird über die Entnahmeleitung 21 mit Wasserstof f H₂ als Produktgas 23 versorgt und der Wasserstof f H₂ mit aus der Elektrolyse gespeicherten Sauerstof f 0₂ oder Verbrennungsluft L verbrannt . Die freigesetzte Verbrennungswärme wird in dem wasserstof fbefeuerten Hei zkessel auf wasserführende Leitungen an das Wärmetauschermedium übertragen und primärseitig dem Wärmetauscher 11 zugeführt und im Wärmetausch mit dem zu erwärmenden Prozesswasser aus der Elektrolyse geführt . Die Wär- meübertragung wird durch eine Zirkulation bzw . Umwäl zung des Prozesswassers über Vorlaufleitung 47a und die Rücklaufleitung 47b herbeigeführt . Hierzu sind Zirkulationspumpen vorgesehen, die mit einem klein dimensionierten und im Normalbetrieb aufladbaren Batteriespeicher gespeist werden .

In beiden in der FIG 3 und FIG 4 gezeigten Aus führungsbeispielen der Wärmeversorgungseinrichtung 7 kann der Wärmetauscher 11 zusätzlich für einen bidirektionalen Betrieb ausgestattet sein, d . h . im Normalbetrieb zusätzlich auch zur Ableitung der Prozesswärme aus dem Elektrolyseprozess aus dem Container 9 heraus und in einem Stillstandsbetrieb zur Temperaturhaltung durch Wärmeübertragung von in der Verbrennungseinrichtung 13 erzeugten Wärme auf wasserführende Komponenten und Systeme der Elektrolyseanlage 5 . Die Ableitung der Prozesswärme kann dann beispielsweise über einen nicht näher dargestellten eigenen Kühlmittelkreislauf erfolgen, in den der Wärmetauscher 11 zusätzlich geschaltet ist . Dieser Kühlmittelkreislauf wird im Normalbetrieb zur Kühlungs zwecken aktiviert . In einem Stillstandsbetrieb ist er deaktiviert , wobei im Stillstandsbetrieb eine Übertragung der in der Verbrennungseinrichtung 13 erzeugten Wärme , wie beschrieben, durchgeführt wird . Auf diese Weise ist das Of fshore- Elektrolysesystem 100 mit der Wärmeversorgungseinrichtung 13 für eine Umschaltung von einem Kühlbetrieb auf einen Hei zbetrieb ertüchtigt .

FIG 5 zeigt eine schematische Seitenansicht des Of fshore- Elektrolysesystems 100 mit einer Windkraftanlage 1 und mit einer Plattform 3 und mit einer auf der Plattform 3 angeordneten Elektrolyseanlage 5 . Die Plattform ist am Turm 19 oberhalb des Meeresspiegels 25 in einem Uberwasserbereich 29 befestigt Die Elektrolyseanlage 5 weist eine Anzahl von Containern 9 auf , mit j eweils zumindest einem darin angeordneten Elektrolyseur . Das hier gezeigte Of f shore-Elektrolysesystem 100 ist sehr vorteilhaft mit einer integrierten verbrennungsbasierten Wärmeversorgungseinrichtung 7 ausgestattet . Hierbei weist die Wärmeversorgungseinrichtung 7 ein an die Wärmever- sorgungseinrichtung 7 angeschlossenes Brennstof f reservoir 15 auf , so dass aus der Elektrolyse gewonnener Wasserstof f H₂ in dem Brennstof f reservoir 15 speicherbar und bedarfsweise als Brennstof f zur Wärmeerzeugung umsetzbar ist . Die Wärmeversorgungseinrichtung 7 ist auf der Plattform 3 angeordnet und kann dabei auch in einem der Container 9 zusammen mit Einrichtungen der Elektrolyseanlage 5 wie einem Elektrolyseur untergebracht sein . Der Turm 19 erstreckt sich von dem Überwasserbereich 29 in einen Unterwasserbereich 31 und ist fest in dem Meeresgrund 35 mittels eines Fundaments 33 verankert .

Das Brennstof f reservoir 15 ist als Gasspeicher 39 ausgeführt , so dass das Produktgas 23 - vorliegend Wasserstof f H₂ - in dem Gasspeicher 39 unter einem Speicherdruck speicherbar ist . Ein Gasspeicher 39 ist vorteilhaft mit druckfesten Behältern ausgeführt , beispielsweise als eine Anzahl von Wassersof f- Röhrenspeichern gebildet . Der Gasspeicher 39 ist unterhalb der Plattform 3 hängend befestigt , so dass kein Bauraum auf der Plattform benötigt wird . Weiterhin ist eine Kavität innerhalb des Turms 19 der Windkraftanlage 1 ausgebildet - vorliegend tief unter dem Meeresspiegel 25 innerhalb des Fundaments 33 eingearbeitet - und weist ein entsprechendes Speichervolumen für den Wasserstof f H₂ auf . In diese Kavität ist ein druckfeste und wasserstof fdichter Gasspeicher 39 eingebracht . Somit kann in einem Normalbetrieb des Of fshore- Elektrolysesystems 100 Wasserstof f H₂ als Produktgas 23 aus der Elektrolyse in den Gasspeicher 39 unter Druck eingespeichert und der Gasspeicher 39 beladen werden . Die Einspeicherung in den Gasspeicher 39 erfolgt über die Produktgasleitung 17 oder eine entsprechende Abzweigleitung der Produktgasleitung 17 . Zugleich ist an der Plattform 3 eine Anschlusseinheit an eine Pipeline 37 zum Abtransport von Produktgas 23 angebracht , die an die Produktgasleitung 17 angeschlossen oder darüber versorgt ist . Die Pipeline 37 führt von der Plattform 3 weg, taucht dabei in den Unterwasserbereich 31 ein und ist über den Meeresgrund 35 bis zum Festland geführt . Am Festland kann das Produktgas 23 übernommen und weiterverarbeitet werden . In einem Normalbetrieb des Elektrolysesys- terns 100 ist somit Produktgas 23 - vorliegend Wasserstof f H₂

- in die Pipeline 37 unter einem Pipelinedruck einspeisbar und an das Festland transportierbar . Die Produktgasleitung 17 ist an die Pipeline 37 angeschlossen, wobei die Pipeline 37 damit die Funktion eines Gasspeicher 39 realisiert . Damit ist mit der Pipeline 37 zugleich ein Brennstof f reservoir 15 bereitgestellt , aus dem mittels der Entnahmeleitung 21 an der Anschlusseinheit bedarfsweise Produktgas 23 entnehmbar ist . Die Entnahme von Wasserstof f H₂ aus dem Gasspeicher 39 oder aus der Pipeline 37 erfolgt über eine Entnahmeleitung 21 , die die verbrennungsbasierte Wärmeversorgungseinrichrichtung 7 in einem Stillstandsbetrieb des Elektrolysesystems versorgt , so dass die erzeugte Wärme an die Elektrolyseanlage 5 übertragbar ist , so dass eine Temperaturhaltung oberhalb einer Min- desttemperatur erreicht und ein Gefrierschutz bewirkt ist .

Claims

Patentansprüche

1. Of f shore-Elektrolysesystem (100) umfassend eine Windkraftanlage (1) mit einer Plattform (3) und mit einer auf der Plattform (3) angeordneten Elektrolyseanlage (5) , welche zur Versorgung mit Elektrolysestrom an die Windkraftanlage (1) angeschlossen ist, und weiter umfassend eine an die Elektrolyseanlage (5) gekoppelte Wärmeversorgungseinrichtung (7) , die eine Verbrennungseinrichtung aufweist (13) , wobei ein Brennstoff reservoir (15) an die Wärmeversorgungseinrichtung (7) angeschlossen ist, so dass in einem Stillstandsbetrieb mittels der Verbrennungseinrichtung (13) erzeugte Wärme auf die Elektrolyseanlage (5) übertragbar ist, so dass eine Temperaturhaltung oberhalb einer Mindesttemperatur bewirkt ist.

2. Of f shore-Elektrolysesystem (100) nach Anspruch 1, bei dem von der Elektrolyseanlage (5) eine Produktgasleitung (17) abzweigt, an die das Brennstoff reservoir (15) angeschlossen ist, so dass in einem Normalbetrieb aus der Elektrolyse erzeugtes Produktgas (23) dem Brennstoff reservoir (15) zuführbar ist.

3. Of f shore-Elektrolysesystem (100) , nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Produktgasleitung (17) an eine Pipeline (37) angeschlossen ist, wobei die Pipeline (37) ein Brennstoff reservoir (15) bildet, aus dem mittels einer Entnahmeleitung (21) Produktgas (23) entnehmbar ist.

4. Of f shore-Elektrolysesystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Produktgasleitung (17) an einen Gasspeicher (39) angeschlossen ist, wobei der Gasspeicher (39) ein Brennstoff reservoir (15) bildet, aus dem mittels einer Entnahmeleitung (21) Produktgas entnehmbar ist.

5. Of f shore-Elektrolysesystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Gasspeicher (39) an der Platt- form (3) vorgesehen und/oder innerhalb des Turms (19) der Windkraftanlage (1) eingebracht ist.

6. Of f shore-Elektrolysesystem (100) nach Anspruch 5, bei dem der Gasspeicher (39) als Röhrenspeicher ausgeführt ist.

7. Of f shore-Elektrolysesystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Verbrennungseinrichtung (13) eine Brennstoffzelle (41) und ein Heizelement (43) aufweist, so dass in einem Stillstandsbetrieb von der Brennstoffzelle (41) Strom zum Betrieb des Heizelements (43) bereitstellbar ist .

8. Of f shore-Elektrolysesystem (100) nach Anspruch 7, bei dem von der Brennstoffzelle (41) Strom zur Aufrechterhaltung einer Steuerungseinrichtung (27) der Elektrolyseanlage (5) bereitstellbar ist.

9. Of f shore-Elektrolysesystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Verbrennungseinrichtung (13) einen Gasbrenner (45) aufweist, so dass in einem Stillstandsbetrieb Produktgas (23) in dem Gasbrenner (45) verbrennbar und Wärme erzeugbar ist.

10. Of f shore-Elektrolysesystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Elektrolyseanlage (5) einen in einem Container (9) angeordneten Elektrolyseur sowie einen Wärmetauscher (11) aufweist, welcher in einem Normalbetrieb für die Ableitung von Prozesswärme aus der Elektrolyse aus dem Container (9) und in einem Stillstandsbetrieb für die Übertragung der in der Verbrennungseinrichtung (13) erzeugten Wärme ausgelegt ist.

11. Of f shore-Elektrolysesystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Elektrolyseanlage (5) einen Elektrolyseur für die Wasserelektrolyse aufweist, der auf einer Proton Exchange Membrane ( PEM) -Elektrolyse oder auf einer alkalischen Elektrolyse basiert und mit Wasserstoff (H₂) als Produktgas .

12. Verfahren zum Betrieb eines Of f shore-Elektrolysesystems

(100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem Stillstandsbetrieb Wärme mittels der Wärmeversorgungseinrichtung (7) erzeugt und auf die Elektrolyseanlage (5) übertragen wird, so dass eine Temperaturhaltung oberhalb einer Mindesttemperatur herbeigeführt und ein Einfrieren von wasserführenden Komponenten der Elektrolyseanlage (5) verhindert wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Temperaturhaltung bei einer Außentemperatur von weniger als 5°C in Gang gesetzt wird, indem in der Verbrennungseinrichtung (13) ein Brennstoff umgesetzt wird, wobei Wärme erzeugt und auf die wasserführenden Komponenten der Elektrolyseanlage (5) übertragen wird, so dass ein Gefrierschutz bewirkt ist.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei in einer Brennstoffzelle (41) Wasserstoff als Brennstoff umgesetzt und Strom erzeugt wird, wobei Strom zur Versorgung einer Steuerungseinrichtung (27) der Elektrolyseanlage (5) verwendet wird, wobei ein Bereitschaftsbetrieb aufrechterhalten wird.