EP4754377A1 - Elektrolysesystem sowie verfahren zum betrieb eines elektrolysesystems - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Elektrolysesystem (100) umfassend eine Windkraftanlage (1) und eine Elektrolyseanlage (5), die zur Versorgung mit Elektrolysestrom an die Windkraftanlage (1) angeschlossen ist, wobei ein Inselnetz ohne Anschluss an ein Versorgungsnetz realisiert ist, weiter umfassend eine an die Elektrolyseanlage (5) gekoppelte und mit einem Arbeitsmedium (23) betreibbare Wärmeversorgungseinrichtung (7), die einen Verdampfer (13) und einen Kondensator (11) aufweist, und die derart ausgestaltet ist, dass in einem Stillstandsbetrieb mittels des Kondensators (11) Kondensationswärme des Arbeitsmediums (23) auf die Elektrolyseanlage (5) übertragbar ist, so dass eine Temperaturhaltung oberhalb einer Mindesttemperatur bewirkt ist. Dabei wird in einem Stillstandsbetrieb mittels der Wärmeversorgungseinrichtung (7) ein Arbeitsmedium (23) verdampft und verdampftes Arbeitsmedium (23) kondensiert, wobei Kondensationswärme 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

Elektrolysesystem sowie Verfahren zum Betrieb eines Elektrolysesystems

Die Erfindung betri f ft ein Elektrolysesystem sowie ein Verfahren zum Betrieb eines 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 zur Erzeugung für erneuerbare Energien ist die Windkraft . Insbesondere mit küstennahen, sogenannten Of f shore-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 f shore-Windkraf tanlagen oder in deren unmittelbarer Nähe zu platzieren . So werden aktuell beispielsweise Elektrolysesysteme an Of f shorestandorten diskutiert , bei denen direkt auf einer Plattform einer Of f shore-Windkraf tanlage eine Elektrolyseanlage aufgestellt ist . Dabei kann die Windkraftanlage mit der Elektrolyseanlage zu einem weitgehend autarken, d . h . nahezu netzunabhängigen Elektrolyssystem zusammengeschaltet und speziell für einen Of f shore- Inselbetrieb ausgestattet sein . Allerdings sind Inselnetze ohne Netzanbindung der Elektrolyseanlage auch an Land in entlegenen Gebieten möglich .

Im besten Fall können diese Elektrolysesysteme umfassend eine Kombination aus einer Windkraftanlage und einer Elektrolyseanlage daher völlig ohne eine hil fweise Kopplung an ein Stromnetz zur Versorgung errichtet und ausschließlich für einen Inselbetrieb ertüchtigt sein, und zwar sowohl in einer Onshore als auch einer Of fshore Aufstellung . Heraus fordernd sind insbesondere weit außerhalb der Küste errichtete Elektrolysesysteme , bei der lange Anschlusswege an das öf fentliche Netz der Küstenregion zu vermeiden sind oder unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten nicht in Betracht kommen . 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 vermeiden . Daher werden derzeit mit großer Intensität insbesondere Of fshore- Elektrolysesysteme mit Elektrolyseanlagen entwickelt , welche direkt auf einer Plattform mit einer Of f shore-Windkraf tanlage 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-Elektroly- seanlagen 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 herausfordernd, und zwar sowohl hinsichtlich einer notwendigen Kühlung im Normalbetrieb als auch einer Mindesttemperaturhaltung bei einem längeren Stillstandsbetrieb . Bei letzterem ist vor allem etwa bei einer Dunkel flaute und Stillstand der Windeneergieanlage in den Wintermonaten ein ausreichender Gefrierschutz der wassergetränkten Elektrolysezellen der Elektrolyseure sicherzustellen . Hinsichtlich der Kühlungsanforderungen im Normalbetrieb bei Of fshore- Elektrolyseanlagen ist daher zumindest eine geschlossene Containerbauweise , also Einhausung zum Schutz des Elektrolyseurs etabliert , mit der Anforderung zugleich einerseits eine Überhitzung und Versagen der Elektrolyseure sowie andererseits eine schädigende Korrosion durch maritime Sal zexposition zu vermeiden . Somit ist bei einer Of fshore- 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 des möglichst wartungsarmen und autarken Betriebs von Of fshore- 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 Tempertaturhaltung im Container kann 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-Platt f orm andererseits deutlich eingeschränkt . Realistisch wären für den vorliegenden Einsatz auf einer Plattform einer Of f shore-Windkraf tanlage 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 die Akkus aus . Denn das Elektrolyt wird durch die Kälte zähflüssiger und schwieriger zu durchdringen . Dadurch kommen weniger Ionen am Pluspol an, die Batterieleistung sinkt schlagartig ab . Durch die Kälte werden Prozesse im Akku stark verlangsamt und die Batterie verschleißt schneller als üblich . Sogenannte Batterie-Energie- speicher-systeme (BESS ) haben überdies den Nachteil , dass 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 technisch 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 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 Elektrolysesystems anzugeben . Die auf ein Elektrolysesystem gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Elektrolysesystem umfassend eine Windkraftanlage und eine Elektrolyseanlage , die zur Versorgung mit Elektrolysestrom an die Windkraftanlage angeschlossen ist , wobei ein Inselnetz ohne Anschluss an ein Versorgungsnetz realisiert ist , weiter umfassend eine an die Elektrolyseanlage gekoppelte und mit einem Arbeitsmedium betreibbare Wärmeversorgungseinrichtung, die einen Verdampfer und einen Kondensator aufweist , und die derart ausgestaltet ist , dass in einem Stillstandsbetrieb mittels des Kondensators Kondensationswärme des Arbeitsmediums auf die Elektrolyseanlage übertragbar ist , so dass eine Temperaturhaltung oberhalb einer Mindesttemperatur bewirkt ist .

Die auf ein Verfahren zum Betrieb eines Elektrolysesystems gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Elektrolysesystems , wobei in einem Stillstandsbetrieb mittels der Wärmeversorgungseinrichtung ein Arbeitsmedium verdampft und verdampftes Arbeitsmedium kondensiert wird, wobei Kondensationswärme 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 das Elektrolysesystem nachstehend angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen 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 Windkraftanlagen, insbesondere Of fshore- Windkraf tanlagen, und deren wachsende elektrische Erzeugungsleistung entsprechend leistungs fähigere Elektrolyseanlagen erfordern . Es wird daher erwartet , dass die Leistungsklasse von Elektrolysesystemen und deren Anzahl entsprechend zukünf- tig stark ansteigen wird . Dies betri f ft insbesondere Of fsho- re-Elektrolysesysteme .

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 damit in einem Elektrolysesystem, insbesondere einem Of f shore-Elektrolysesystem, ein Wärmehaltungskonzept implementiert , das sich in kritischen Witterungsbedingungen und Betriebssituationen durch eine hohe Zuverlässigkeit und eine intrinsische Aus fallsicherheit auszeichnet . Damit ist ein praktisch wartungs freies 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 . Das Elektrolysesystem der Erfindung erkennt und überwindet hier vorteilhafterweise erstmals die Nachteile herkömmlicher Wärmeversorgungskonzepte bei netzunabhängigen Elektrolysesystemen, die - wie oben geschildert - bedarfsweise auf sehr große Batterieaggregate oder gar Dieselgeneratoren zurückgrei fen, die z . B . bei einer Of f shore-Auf Stellung 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 verdampfungsbasierten Wärmeversorgungseinrichtung hingegen ist eine kontinuierliche Temperaturhaltung auch über mehrere Tage bei einer Dunkel flaute sichergestellt , wobei die Wärmeübertragung hinsichtlich einer erforderlichen Mindesttemperatur einstellbar ist , die eingehalten wird . Dabei wird die Verdampfungsenthalpie eines Arbeitsmittels vorteilhaft ausgenutzt , um die erforderliche Hei zwärme bereitzustellen . Uber die Dampfdruckkurve des Arbeitsmittels kann der gewünschte Betriebspunkt der Wärmeversorgungseinrichtung über den Druck und die Temperatur des Arbeitsmittels gezielt eingestellt werden . In dem Kondensator wird das zuvor im Verdampfer verdampfte Arbeitsmittel kondensiert , wobei bei einer konstanten Verdampfungstemperatur Kondensationswärme freigesetzt wird . Hierzu ist der Kondensator thermisch an eine Wärmesenke gekoppelt , so dass Wärme abführbar und auf die Elektrolyseanlage übertragbar ist . Der Verdampfer ist hingegen an eine Wärmequelle thermisch angekoppelt , so dass eine Verdampfung des Arbeitsmittels bewirkt ist . Das auf Kondensationswärme basierende Wärmeversorgungssystem ist eine minimale Wärmeabgabe und einen minimalen Wärmeverbrauch für die Temperaturhaltung auf den Bedarf der Elektrolyseanlage gezielt anpassbar . Vorteilhaft ist hier ein thermodynamischer Kreisprozess implementiert , so dass sich das Arbeitsmittel praktisch nicht verbraucht . Überdies sind nur geringe Temperaturdi f ferenzen erforderlich, um den Verdampfungs- und Kondensationsprozess bei einer Arbeitstemperatur und einem Arbeitsdruck des Arbeitsmediums durchzuführen . Dabei ist die Wärmeversor- gungseinrichtung derart ausgestaltet , dass mit dem Verdampfer und dem Kondensator ein isochorer Kreisprozess durchgeführt werden kann .

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Elektrolysesystems weist die Wärmeversorgungseinrichtung ein schwerkraftgetriebenes Wärmerohr auf , wobei der Kondensator oberhalb des Verdampfers an dem Wärmerohr gebildet ist .

Hierbei wird vorteilhaft eine Wärmeversorgungseinrichtung basierend auf einem selbst zirkulierenden Arbeitsmedium bereitgestellt . Durch die vertikale Anordnung und Ausrichtung des Wärmerohrs ist der Verdampfer vertikal unten angeordnet und der Kondensator vertikal oben . Somit ist Verdampfungswärme von einer an den Verdampfer angekoppelten tiefliegenden Wärmequelle über das verdampfte Arbeitsmittel vertikal nach oben zum Kondensator transportierbar, wobei ein selbständiger schwerkraftgetriebener Kreisprozess bei dem Wärmerohr implementiert ist .

Hierbei kommt ein Wärmerohr oder eine Heatpipe zum Einsatz , das in die Wärmeversorgungseinrichtung vorteilhaft integriert ist . Wärmerohre oder Heatpipes sind Bauelemente , die Wärme über einen Verdampfungs- und Kondensationskreislauf übertragen können . Wird an einem Ende des Wärmerohrs Wärme zugeführt , verdampft das Arbeitsmittel und strömt - durch das Temperatur- bzw . Druckgefälle getrieben - entlang der adiaba- ten Zone zum Kondensator . Dort kondensiert der Dampf und gibt seine latente Wärme an eine externe Wärmesenke ab . Um den Kreislauf auf recht zuerhalten, muss das Kondensat dem Verdampfer wieder zugeführt werden . Dazu wird meist eine integrierte Dochtstruktur ( z . B . Rillen- , Netz- oder Sinterstruktur ) eingesetzt , die das Kondensat mithil fe von Kapillarkraft zurück zum Verdampfer fördert . Liegt der Kondensator oberhalb des Verdampfers , kann auch die Schwerkraft für den Rücktransport genutzt werden, wie es vorliegend bevorzugt wird . Diese Art des Wärmerohrs wird auch als Zwei-Phasen-Thermosiphon bezeichnet . Auch der Einsatz anderer Kräfte , wie z . B . Flieh- kräfte , ist für die Rückführung des Arbeitsmedium denkbar . Das verwendete Arbeits fluid richtet sich nach dem Temperaturbereich, in dem das Wärmerohr verwendet werden soll , wobei entsprechend der Dampfdruckkurve im allgemeinen große Arbeitsbereiche zur Verfügung stehen . Vorteilhafte Anwendungen liegen im Bereich von ca . - 100 bis 300 ° C . Hier können beispielsweise Arbeitsmedien wie Kohlendioxid, Ethanol , Aceton, Wasser oder andere Arbeitsmedien mit einer Dampfdruckkurve im Bereich der erforderlichen Mindesttemperatur verwendet werden .

Vorteilhaft sind zwei Bauformen von Wärmerohren möglich, die unterschieden werden können : Die Heatpipe und der Zwei- Phasen-Thermosiphon . Das grundlegende Funktionsprinzip ist bei beiden Bauformen gleich; der Unterschied liegt im Rücktransport des gas förmigen Arbeitsmediums zum Verdampfer, mithin also zu der Stelle , an der Wärme zugeführt wird . Der Rücktransport erfolgt bei beiden Bauformen passiv und damit ohne Hil fsmittel wie etwa einer Umwäl zpumpe . Der Wärmewiderstand eines Wärmerohrs ist bei Arbeitstemperatur deutlich kleiner als der von Metallen . Das Verhalten der Wärmerohre kommt daher der isothermen Zustandsänderung sehr nah . Es herrscht eine beinah konstante Temperatur über die Länge des Wärmerohrs .

In besonders bevorzugter Ausgestaltung des Elektrolysesystems weist die Wärmeversorgungseinrichtung eine Tiefensonde auf , die für die Entnahme von Wärme aus einem tief gelegenen Wärmereservoir ausgelegt ist , wobei der Verdampfer in das Wärmereservoir eintaucht .

Das Wärmerohr ist dadurch vorteilhaft als eine Tiefensonde konzipiert , so dass Verdampfungswärme aus einem tief liegenden Wärmereservoir als Wärmequelle entnehmbar oder anzapfbar ist . Der Begri f f des Eintauchens in das Wärmereservoir ist vorliegend nicht einschränkend, sondern funktional zu verstehen . Mithin sind hier thermische Kopplungen umfasst , bei denen der Verdampfer des Wärmerohrs direkt oder indirekt ther- misch an das Wärmereservoir gekoppelt ist . Auch ein teilweises oder vollständiges Eintauchen des Verdampfers der Tiefensonde ist möglich . Das Wärmereservoir kann j e nach Aufstellung und Verankerung des Elektrolysesystems , insbesondere Windkraftanlage , beispielsweise durch tiefliegende Erd- oder Gesteinsschichten, wasserführende Schichten, Grund- oder Thermalwasserreservoire , Meerwasser oder den Meeresgrund gebildet sein .

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Elektrolysesystems weist die Wärmeversorgungseinrichtung ein Wärmereservoir auf , welches innerhalb des Turms der Windkraftanlage gebildet ist .

Hierdurch wird vorteilhaft für die Temperaturhaltung eine integrierte Lösung in dem Elektrolysesystem bereitgestellt . Die Wärmeversorgungseinrichtung selbst ist mit einem Wärmereservoir ausgestattet oder weist ein Wärmereservoir auf . Durch die Integration des Wärmereservoirs innerhalb des Turms der Windkraftanlage ist ein als Tiefensonde ausgestaltetes Wärmerohr besonders leistungs fähig, das vertikal innerhalb des Turms angeordnet und ausgerichtet ist und in das Wärmereservoir hineinragt , wobei das Wärmerohr zugleich vor schädigenden Umwelteinflüssen gut geschützt ist . Allerdings ist es im Prinzip auch denkbar, dass die Wärmeversorgungseinrichtung außerhalb am Turm der Windkraftanlage angeordnet ist , wobei das als Tiefensonde ausgestaltete Wärmerohr, z . B . bei einer Of f shore-Auf Stellung in das Meerwasser in eine Tiefe mit geeigneter Wassertemperatur als Wärmequelle für den Kondensator eintaucht . Durch die Integration in den Turm ist allerdings sehr vorteilhaft bereits eine Wärmequelle in der Tiefe des Turms der Windkraftanlage nutzbar und zugleich eine Wärmesenke im oberen Bereich des Turms für den Betrieb des Wärmerohrs bereitgestellt . Entsprechend sind hier auch der Verdampfer und der Kondensator des vertikal eingebauten Wärmerohrs an der Wärmequelle bzw . an der Wärmesenke platziert und damit thermisch gekoppelt . In bevorzugter Ausgestaltung des Elektrolysesystems weist die Wärmeversorgungseinrichtung ein Wärmerohr auf , bei dem der Verdampfer mit dem Kondensator über eine adiabate Zone verbunden ist , so dass eine selbstständige Zirkulation des Arbeitsmediums in dem Wärmerohr bewirkt ist .

Das Wärmerohr ist derart konzipiert , dass dieses in seiner vertikalen Erstreckung eine ausreichend lang dimensionierte adiabate Zone aufweist , an deren Ende der Verdampfer und der Kondensator angeordnet ist . Wird am Verdampfer des Wärmerohrs Wärme zugeführt , verdampft das Arbeits fluid und strömt - durch das Temperatur- bzw . Druckgefälle getrieben - entlang der adiabaten Zone vertikal aufwärts zum Kondensator . Dort kondensiert der Dampf und gibt seine latente Wärme an eine externe Wärmesenke , d . h . in einem Stillstandsbetrieb zur Temperaturhaltung an die angekoppelten wasserführenden Systeme der Elektrolyseanlage . Durch die selbstständige Zirkulation sind zusätzliche Umwäl zpumpen zur Aufrechterhaltung einer Zirkulation nicht erforderlich, so dass mit dem schwerkraftgetriebenen Wärmerohr ein autarkes Wärmeversorgungsystem bereitgestellt ist . Es können zusätzlich kleine Zirkulationspumpen seitens der Elektrolyseanlage vorgehalten werden zur bedarfsweisen Zirkulation des Prozesswassers in den wasserführenden Systemen und Ankopplung an den Kondensator . Zu deren Betrieb wird aber allenfalls noch eine klein dimensionierte Hil fsbatterie benötigt , was gegenüber einer elektrischen Bereitstellung der Wärmeenergie zur Temperaturhaltung deutlich günstiger ist . Zudem sind zeitlich längere Phasen mit einem Stillstandsbetrieb sicher überbrückbar .

In besonders bevorzugter Ausgestaltung des Elektrolysesystems ist in das Wärmerohr ein Arbeitsmedium unter einem vorgegebenen Arbeitsdruck eingebracht , so dass unter dem Arbeitsdruck eine Verdampfungstemperatur im Bereich von 2 ° C bis 10 ° C, insbesondere zwischen 4 ° C und 8 ° C, eingestellt ist .

Für die Temperaturhaltung und die dafür vorgesehene Wärmeübertragung der Kondensationswärme des Arbeitsmediums auf die Elektrolyseanlage ist ein Arbeitsbereich bevorzugt , bei dem aufgrund der Dampfdruckkurve eine Verdampfung bzw . Kondensation des Arbeitsmittels nahe bei oder oberhalb der Mindesttemperatur eingestellt ist , beispielsweise einige Grad oberhalb von 5 ° C Verdampfungstemperatur bei dem Dampfdruck . Für die Temperaturhaltung der Elektrolyseanlage und insbesondere deren wasserführenden Leitungen und Systeme in einem Stillstandsbetrieb, sind durch die Wahl des spezi fischen Arbeitsmediums Druckbereiche ermittelbar, unter denen das Arbeitsmedium in dem bevorzugten Temperaturbereich für eine Temperaturhaltung verdampft . Für den Betrieb am Verdampfungs- oder Kondensationspunkt der Dampfdruckkurve sind nur geringe Temperaturdi f ferenzen zwischen dem Verdampfer und dem Kondensator für den Betrieb des Wärmerohrs erforderlich . Das Wärmerohr ist entsprechend druck- und gasdicht mit dem Arbeitsmittel unter einem vorgegebenen Fülldruck als Arbeitsdruck gefüllt . Dieser Arbeitsdruck ist so gewählt , dass unter Ein- sat zbedingungen in dem Elektrolysesystem nahe oberhalb der Gefriertemperatur von Wasser eine Verdampfung des Arbeitsmediums herbeigeführt wird . Durch den druckdichten Verschluss des Wärmerohrs ist im Betrieb des Wärmerohrs ein isochorer Kreisprozess aus Verdampfung und Kondensation vorgesehen .

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Elektrolysesystem ist das Wärmerohr als CCp-Tief ensonde ausgestaltet , mit Kohlendioxid CO2 als Arbeitsmedium .

Das Kohlendioxid ist hierbei für eine zirkulierende Anwendung in dem als CCp-Tief ensonde ausgestalteten Wärmerohr nahe des Verdampfungsdrucks von Kohlendioxid für die gewünschte Ar- beitstemperatur unter einem entsprechenden Arbeitsdruck eingebracht . Bei einer CCp-Tief ensonde wird Kohlendioxid CO2 als Arbeitsmedium und Wärmeträger für den Kreisprozess verwendet . Die CCp-Tief ensonde ist besonders vorteilhaft für einen Betrieb nach dem Wärmerohr-Prinzip (Heat-Pipe ) ausgelegt . Im Sondenrohr befindet sich dabei sowohl flüssiges als auch dampf förmiges Kohlendioxid CO2 . Das flüssige Kohlendioxid CO2 befindet sich im unteren Bereich der Sonde , das dampf förmige im oberen Bereich. Sobald der Prozess ähnlich einer Wärmepumpe gestartet wird, wird in einem Wärmetauscher das dampfförmige CO2 im Kondensator abgekühlt, d.h. es wird Wärme entzogen, wodurch das dampfförmige CO2 kondensiert. Das nun flüssige CO2 fließt im Sondenrohr nach unten. Das flüssige CO2 nimmt Wärme aus einem Wärmereservoir über den Verdampfer auf, z.B. Erdwärme, und wird dadurch dampfförmig und steigt wieder auf. Dadurch ist ein kontinuierlicher Kreislauf implementiert. Aufgrund der Tatsache, dass die CCp-Tief ensonde selbst zirkulierend ist, beginnt eine sofortige Regeneration der Sonde bei Abschaltung bzw. Unterbrechung der Wärmepumpenfunktion. Dabei wird ein Temperaturausgleich von den tieferen (wärmeren) Lagen zu den höheren (kälteren) Lagen vollzogen. In nur ca. 30 Minuten ist wieder die ursprüngliche Temperatur wie vor dem letzten Einschalten der Anlage hergestellt. Das heißt, solange ein Temperaturunterschied in der Sonde herrscht und die unteren Lagen wärmer sind als die oberen Lagen, zirkuliert das CO2 selbstständig und die Sonde wird dadurch im oberen Bereich regeneriert. Das CO2 verdampft unten durch die wärmeren Temperaturen, steigt dadurch auf und gibt die Wärme im kälteren Bereich wieder ab, wodurch es kondensiert und wieder nach unten fließt.

In besonders bevorzugter Ausgestaltung des Elektrolysesystems ist das Kohlendioxid unter einem Arbeitsdruck von 35 bar bis 45 bar, insbesondere zwischen 37 bar und 42 bar, in das Wärmerohr eingebracht.

Auf diese Weise ist entsprechend der Dampfdruckkurve vom Kohlendioxid CO2 das Wärmerohr für den Einsatz in dem Elektrolysesystem ertüchtigt und ein entsprechender Fülldruck eingestellt. Es ergeben sich durch diese Ausgestaltung Verdampfungstemperaturen nahe oberhalb des Gefrierpunkts von Wasser von etwa 0,5°C bis 10°C, insbesondere von etwa 2,5°C bis 7,5°C. Damit ist die Wärmeversorgungseinrichtung für den bestimmungsgemäßen Stillstandsbetrieb ausgelegt und über den Fülldruck bei einer Ref erenztemperatur kann eine gewünschte Verdampfungstemperatur für den Einsatz spezi fisch eingestellt werden .

In weiter bevorzugter Ausgestaltung des Elektrolysesystems ist für den Wärmetransport eine interne Wärmesteuerung vorgesehen, mit einem Ventil oder einer Drossel als Steuerelement , so dass der Hin- und Rückfluss des Arbeitsmediums steuerbar ist .

Auf diese Weise ist die Temperaturhaltung und die erzielbare Mindesttemperatur der Elektrolyseanlage über den übertragenen Wärmestrom in gewissen Grenzen steuerbar . Der innere Wärmetransport in dem Wärmerohr selbst lässt sich steuern, und zwar mittels eines Ventils oder einer Drossel innerhalb des Wärmerohrs als Steuerelement . Eine drehbar gelagerte und von außen durch einen kleinen Motor gesteuerte Drossel kann sowohl Hin- als auch Rückfluss des wärmetransportierenden Mediums von der Wärmequelle zur Wärmesenke variieren . Alternativ erlaubt ein im Innern des Wärmerohrs befindliches kleines Magnetventil , realisiert durch eine magnetische Kugel mit Rückstell feder, den Wärmestrom durch das Wärmerohr weitgehend zu stoppen oder wieder frei zugeben . Die Drossel hat gegenüber dem Ventil den großen Vorteil , dass die Wärmeleitfähigkeit stetig gesteuert werden kann, und zwar in Abhängigkeit vom Stellwinkel . Das Ventil hingegen erlaubt das Wärmerohr nur an- oder abzuschalten, denn es lässt sich aufgrund der Steuerung über einen Elektromagneten nur öf fnen oder schließen . Nachteilig an einer Drosselklappe ist hingegen ihre nach außen führende Steuerwelle , durch welche hermetische Abgeschlossenheit nur schwierig zu erreichen ist . Dies kann zu unerwünscht kurzen Wartungsintervallen führen .

In alternativer Ausgestaltung kann daher auch eine externe Wärmesteuerung implementiert sein . Bei dieser sind zwei parallel geführte Wärmerohre vorgesehen, j e eines entspringend an der Wärmequelle und an der Wärmesenke , die in an ihren Enden in geringem Abstand parallel zueinander verlaufen, ohne sich dabei zu berühren . Umgeben sind sie in diesem Bereich von einem Körper, ein so genannter, aus gut wärmeleitendem Material , z . B . Kupfer oder Aluminium, mit zwei möglichst passgenau die Wärmerohre führenden Bohrungen . Die Wärmeleitfähigkeit des Gesamtsystems lässt sich leicht durch Hineinschieben oder Heraus ziehen des Kopplers einstellen, da die Berührungs fläche zwischen Wärmerohr und Koppler linear von der Einschubtiefe abhängt . Die Kopplung mit externer Steuerung durch einen kleinen batteriebetriebenen Stellmotor kann dabei bedarfsweise an einen gut zugänglichen Ort verlegt werden, sofern der sehr geringe zusätzliche Wärmewiderstand der längeren Wärmerohre diesen Umweg erlaubt .

Durch eine wahlweise interne oder externe Steuerung ist eine Temperaturhaltung auch über längere Zeit im Stillstandsbetrieb sicher und in dosierter Weise durchführbar und ein effi zientes Wärmemanagement vorteilhaft möglich .

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung des Elektrolysesystems ist der Verdampfer innerhalb des Fundaments der Windkraftanlage angeordnet , so dass im Verdampfer eine Verdampfung von flüssigem Arbeitsmedium durch Tiefenwärme bewirkt ist .

Durch diese Anordnung und thermische Ankopplung des Verdampfers ist durch das Fundament ein praktisch unbegrenztes Wärmereservoir geschaf fen oder bewirkt , die beispielweise optional als entsprechender Wärmespeicher durch eine Kavität innerhalb des Turms der Windkraftanlage selbst gebildet bzw . eingearbeitet sein kann . Das Wärmereservoir ist dadurch vorzugsweise tief unter der Wasseroberfläche innerhalb des Turms eingelassen, um die möglichst konstante Umgebungstemperatur im tiefen Erdreich oder unter Wasser aus zunutzen . Mit dieser Konstruktion ist durch den Einschluss im Turm vorteilhaft eine gewisse thermische I solationswirkung und Trägheit ähnlich wie bei einem großen Wärmespeicher bewirkt , wobei eine weitgehend konstante Arbeitstemperatur damit einhergeht und eine Wärmequelle bereitgestellt ist . Zugleich beeinträchtigt die Ausgestaltung eines Wärmespeichers in einer Kavität tief un- ten im Inneren des Turms kaum die mechanische Stabilität der Turmkonstruktion und der Gondel mit der Windturbine . Weiterhin wird Bauraum geschaf fen bzw . für einen Wärmespeicher ausgenutzt , der ansonsten ungenutzt bliebe . Der Wärmespeicher benötigt keine Fläche oder Bauraum auf der Plattform selbst . Letztere kann ohne Einschränkung durch das Wärmeversorgungssystem für die Elektrolyseanlage und deren Komponenten genutzt werden .

Von besonderem Vorteil ist , dass dadurch zugleich eine ef fiziente thermische Brücke und Ankopplung an die Umgebungstemperatur über das Fundament erreicht ist , so dass eine Wärmequelle unmittelbar im oder am Fundament bereitgestellt und nutzbar ist . Dadurch ist für einen kontinuierlichen Wärmeeintrag in das Wärmereservoir bei einer Arbeitstemperatur gesorgt , insbesondere sobald das Wärmerohr in Betrieb gesetzt wird und in dem tiefliegenden Verdampfer innerhalb des Fundaments der Windkraftanlage das flüssige Arbeitsmedium durch Tiefenwärme verdampft wird .

In einer weiterhin besonders bevorzugten Ausgestaltung des 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 ausgelegt ist .

Damit ist vorteilhaft erreicht , dass entstehende Abwärme aus dem Elektrolyseprozess während des Normalbetriebs bei Bedarf die Temperaturhaltung im Stillstandsbetrieb nutzbar gemacht und 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 . Vorliegend ist der Wärmetauscher nun vorteilhaft derart eingerichtet , die Prozesswärme aus der Elektrolyse bei Bedarf gezielt an einen zusätzlichen Wärmespeicher das Wärmeversorgungsystem zu übertragen, insbesondere um die Wärme zu spei- ehern und bedarfsweise für eine spätere Nutzung zur Temperaturhaltung zusätzlich zu dem auf der Nutzung der Kondensationswärme basierten Wärmerohr verfügbar zu halten . Die Prozesswärme wird daher Wärme nicht oder allenfalls teilweise an die Umgebung angeführt . Damit ist eine Redundanz in dem Wärmeversorgungsystem geschaf fen .

Zugleich ist mit dem 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 Kühlmittelkreislauf des Elektrolyseurs geschaltet sein und entsprechend thermisch daran gekoppelt , so dass eine gezielte Wärmeaufnahme und Abgabe sowie Weiterverwendung im Wärmeversorgungssystem sekundärseitig des Wärmetauschers erzielt ist . Damit ist vorteilhaft ein sicherer und umweltverträglicher Betrieb eines Of f shore-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 geschlossenen 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 .

Vorzugsweise ist in dem Elektrolysesystem ein Wärmetauscher vorgesehen, der thermisch an den Kondensator derart gekoppelt ist , dass in einem Stillstandsbetrieb Kondensationswärme des Arbeitsmediums auf wasserführende Komponenten der Elektrolyseanlage übertragbar ist . Dies kann ein eigens an dem Kondensator thermisch gekoppelter Wärmetauscher sein . Es ist aber auch möglich, dass die thermische Schaltung derart implementiert ist , dass derselbe Wärmetauscher genutzt wird, der auch zu Kühlungs zwecken in einem Normalbetrieb zum Einsatz kommt , etwa bei einer Containerbauweise , um die Prozesswärme aus einem in einem Container angeordneten Elektrolyseur heraus zuleiten . Mithin werden zur Ankopplung bzw . Übertragung der über den Kondensator des Wärmerohrs freigesetzten Kondensationswärme auf frostgefährdete wasserführende Komponenten der Elektrolyseanlage Wärmetauscher eingesetzt . Diese Wärmetauscher können zugleich im Normalbetrieb eingesetzt werden, d . h . bidirektional auch zu Kühlungs zwecken der Elektrolyseanlage durch gezielte Ableitung der Prozesswärme in die Umgebung oder optional an einen Wärmespeicher . Auf diese Weise ist eine Zwei fachnutzung bei verschiedenen Betriebs zuständen erreicht und zusätzlicher Wärmetauscher kann entfallen, was sich günstig auf die Gestehungskosten und die Betriebskosten des Elektrolysesystems auswirkt .

In besonders bevorzugter Ausgestaltung des Elektrolysesystems weist die eine Windkraftanlage einen Turm auf und eine am Turm befestigte Plattform, wobei auf der Plattform eine Elektrolyseanlage angeordnet ist .

Dadurch ist das Elektrolysesystem in besonderer Weise für eine Of f shore-Anwendung ausgestattet und ein autarkes Of fshore- Elektrolysesystem für den maritimen Betrieb bereitgestellt . Die Elektrolyseanlage weist hierbei eine Anzahl von Containern auf , die auf der Plattform angeordnet sind und in denen sich Elektrolyseure befinden sowie Steuerungs- und Hil fssysteme der Elektrolyseanlage für deren Betrieb und deren elektrischen Anschluss sowie Versorgung durch die Windkraftanlage .

In Falle einer Of f shore-Anwendung des Elektrolysesystem ist dabei vorzugsweise der Verdampfer im Unterwasserbereich in tiefen Wasserschichten oder im Meeresgrund angeordnet . Der Verdampfer des Wärmerohrs kann dadurch über das Meerwasser oder den Meeresgrund als praktisch unbegrenztes Wärmereservoir und Wärmequelle direkt oder indirekt temperiert werden . Dort herrschen in tiefen Lagen weitgehend konstante Temperaturbedingungen, so dass das Wärmerohr auf einen vorgegebenen Betriebspunkt hinsichtlich der Verdampfungstemperatur auslegbar und einstellbar ist . Hier wirkt sich insbesondere die Ausgestaltung des Wärmerohrs als CCp-Tief ensonde sehr vorteilhaft aus . Die CCp-Tief ensonde kann innerhalb des Turms der Of f shore-Windkraf tanlage untergebracht sein, wobei der Verdampfer in den tiefen Lagen, beispielsweise im Fundament des Turms angeordnet ist und der Kondensator auf der Höhe der Plattform zwecks günstiger thermischer Kopplung an die Elektrolyseanlage .

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betri f ft ein Verfahren zum Betrieb eines entsprechenden Elektrolysesystems . Dabei wird in einem Stillstandsbetrieb mittels der Wärmeversorgungseinrichtung ein Arbeitsmedium verdampft und verdampftes Arbeitsmedium kondensiert , wobei Kondensationswärme freigesetzt 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 vorteilhafte Nutzung der Verdampfungsenthalpie des Arbeitsmediums erlaubt es hier, dass das Verfahren autark und mit hoher Zuverlässigkeit durchführbar ist , d . h . ohne einen Netzanschluss des Elektrolysesystems . Das Verfahren ist mithin vorteilhaft , sowohl bei Of f shore-Elektrolysesystemen als auch bei Onshore-Elektrolysesystemen in einer Inselbetriebsschalung anwendbar . Das Elektrolysesystem ist für einen Inselbetrieb sehr vorteilhaft eingerichtet , da gerade bei einer Dunkel flaute eine Temperaturhaltung im Winter oder bei Frostgefahr sichergestellt und ein Einfrieren über die Bereitstellung und Nutzung von Kondensationswärme verhindert ist . Vorzugsweise wird bei dem Verfahren die Temperaturhaltung bei einer Außentemperatur von weniger als 5 ° C in Gang gesetzt , wobei Arbeitsmedium in einem schwerkraftbetriebenen Wärmerohr zirkuliert wird und dem Arbeitsmedium Kondensationswärme entnommen und auf die wasserführenden Komponenten der Elektrolyseanlage übertragen wird, so dass ein Gefrierschutz herbeigeführt wird .

Vorzugsweise wird bei dem Verfahren der Wärmestrom über eine Steuereinrichtung gesteuert , wobei der Hin- und Rückfluss des zirkulierenden Arbeitsmediums eingestellt wird, wobei die auf die Elektrolyseanlage übertragene Kondensationswärme eingestellt wird .

Weiter bevorzugt wird bei dem Verfahren in einem Normalbetrieb die Elektrolyseanlage von der Windkraftanlage mit Elektrolysestrom versorgt , wobei Prozesswärme aus dem Elektrolyseur über einen Wärmetauscher abgeleitet wird .

Ausgestaltungen, Merkmale und/oder Vorteile , die sich vorliegend auf das Elektrolysesystem beziehen, beziehen sich analog 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 Elektrolysesystem mit einer Elektrolyseanlage und mit einer Windkraftanlage ;

FIG 2 eine schematische Seitenansicht des Elektrolysesystems mit einer Wärmeversorgungseinrichtung mit Wärmerohr ;

FIG 3 eine schematische Darstellung eines Wärmerohrs und dessen Funktionsweise

Gleiche Bezugs zeichen habe in den Figuren die gleiche Bedeutung . In FIG 1 ist ein Elektrolysesystem 100 dargestellt , das für einen Betrieb auf hoher See , d . h . Of fshore , konzipiert ist . Das Elektrolysesystem 100 umfasst eine Elektrolyseanlage 5 und eine Windkraftanlage 1 , die einen Turm 19 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 2 ) befestigt , die speziell dafür konzipiert und ausgelegt ist , verschiedene Anlagenteile für den vorgesehenen Betrieb des Elektrolysesystems 100 in einer Of f shore-Anwendung 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 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 , insbesondere bei einem Of fsho- re-Einsatz . 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 eigens der Aufnahme und dem Betrieb dieser Steuerungseinrichtungen 27 und ggf . weiteren Hil fssystemen der Elektrolyseanlage 5 vorbehalten sind . Hingegen sind die Elektrolyseure für die elektrochemische Stof fumwandlung in speziell dafür vorgesehenen Containern 9 angeordnet . Weitere in den Containern 9 untergebrachte Komponenten oder Anlagenteile können auch Vorratsbehälter für das Edukt-Wasser der Elektrolyseure , oder dergleichen betref fen .

Die Windkraftanlage 1 hat vorzugsweise vorliegend keine Netzanbindung oder Netzkopplung, sondern versorgt in dem autarken Elektrolysesystem 100 mit der auf genommenen Windenergie direkt die beschriebene Elektrolyseanlage 5 , die zur Herstel- lung von vorzugsweise grünem Wasserstof f aus der Wasserelektrolyse eingerichtet ist . Mithin ist das 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 der FIG 1 und der FIG 2 abweichend, sind die erfindungsgemäß vorgestellten Mittel zur verbesserten Wärmeversorgung des Of f shore-Elektroly- sesystems 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 Wartung- 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 Windenkraftanlage 1 bei Frostbedingungen keinen Strom für die Elektrolyse produziert , so dass dadurch die akute Gefahr des Einfrierens wasserführender Systeme der Elektrolyseanlage 5 besteht , insbesondere bei einer länger anhaltenden Dunkel flaute mit einhergehender Frostgefahr in einem Stillstandsbetrieb .

Dem wird durch die Erfindung mit einer Wärmeversorgungseinrichtung 7 begegnet , wie sie in das Elektrolysesystem 100 vorteilhaft integriert ist ( siehe FIG 2 ) . Die Wärmeversorgungseinrichtung 7 ist hierbei an die Elektrolyseanlage 5 angekoppelt und derart ausgestaltet , dass in einem Stillstandsbetrieb mittels der Wärmeversorgungseinrichtung 7 auf die Elektrolyseanlage 5 Kondensationswärme übertragbar ist , so dass eine Temperaturhaltung der wasserführenden Systeme oberhalb einer Mindesttemperatur bewirkt ist . In FIG 2 ist beispielhaft eine schematische Seitenansicht eines entsprechend ausgestatteten Elektrolysesystems 100 mit einer Wärmeversorgungseinrichtung 7 gezeigt . Die Wärmeversorgungseinrichtung 7 ist in den Turm 19 der Windkraftanlage 1 integriert etwa auf der Höhe der Plattform 3 befestigt und ragt innerhalb des Turms 19 tief in den Unterwasserbereich 31 unterhalb des Meeresspiegels 25 hinein . Die Plattform 3 ist in einem Uberwasserbereich 31 an dem Turm 19 angebracht und bildet eine Tragstruktur für die Elektrolyseanlage 5 . Der Turm 19 ist fest in dem Meeresgrund 35 mittels eines Fundaments 33 verankert . Die Wärmeversorgungseinrichtung 7 weist ein Wärmerohr 17 auf , das sich in etwa von der Höhe der Plattform 3 ausgehend vertikal innerhalb des Turms 19 in die Tiefe erstreckt , das einen Kondensator 11 und einen Verdampfer 13 umfasst . Der Kondensator 11 ist am vertikal oberen Ende und der Verdampfer 13 an dem vertikal unteren Ende des Wärmerohres 13 gebildet bzw . angebracht . Das Wärmerohr 17 ist vorliegend als eine CO2- Tiefensonde 37 ausgeführt mit Kohlendioxid CO2 als zirkulierendes Arbeitsmedium 23 . Dabei ist das Wärmerohr 17 mit Kohlendioxid CO2 unter einem vorgegebenen Arbeitsdruck von etwa 35bar bis 45bar, insbesondere von etwa 37bar bis 42bar druckdicht gefüllt . Auf diese Weise sind aufgrund der Dampfdruckkurve des Arbeitsmediums 23 niedrige Verdampfungstemperaturen von 2 ° C bis 10 ° C . insbesondere von 4 ° C bis 8 ° C eingestellt . Je nach Wahl des Arbeitsmediums 23 kann in dem Wärmerohr 17 auch ein anderer Fülldruck eingestellt sein, um die gewünschten Verdampfungstemperatur einige Grad oberhalb des Gefrierpunkts von Wasser für den Betrieb des Wärmerohrs 17 einzustellen . Im Betrieb wird bei der CCU-Tief ensonde 37 Meerwasser bzw . der Meeresgrund 35 als externe Wärmequelle genutzt . Das vom Meeresgrund umgebene Fundament 33 fungiert zugleich als Wärmereservoir 15 innerhalb des Turms 19 der Windkraftanlage 1 in den tiefen Meeresschichten . Somit kann in einem Stillstandsbetrieb das Arbeitsmedium 23 im Verdampfer 13 verdampft werden . Die erforderliche Verdampfungswärme bzw . Verdampfungsenthalpie für die Verdampfung des Arbeitsmediums 23 wird der CCU-Tief ensonde 37 aus einem tiefen Unterwasserbereich 31 dem Wärmereservoir 15 als externe Wärmequelle entnommen . Das verdampfte Arbeitsmedium 23 wird selbstständig nach oben gefördert , wobei das Heatpipe-Prinzip in dem Wärmerohr 17 gezielt ausgenutzt wird . In dem Kondensator 11 kondensiert das dampf förmige Arbeitsmittel 23 . Uber den Konden- sator 11 kann somit freiwerdende Kondensationswärme aus dem Arbeitsmedium 23 , beispielsweise aus dem Kohlendioxid CO2 , an die Elektrolyseanlage 5 als externe Wärmesenke , z . B . über einen Wärmetauscher 43 , übertragen werden . Die CCt-Tief ensonde 37 ist mit dem Verdampfer 13 in einer Tiefe bei einem vorteilhaften Temperaturniveau des Meerwassers angeordnet , das oberhalb von mindestens etwa 5 ° C als Temperatur der externen Wärmequelle liegt . Aus Ef fi zienzgründen wird das Wärmerohr 17 am wärmeren Ende nur knapp über und am kalten Ende nur knapp unter der Siedetemperatur des Arbeitsmediums 23 betrieben . Somit sind geringe Temperaturdi f ferenzen ausreichend, um für die Elektrolyseanlage 5 eine Temperaturhaltung oberhalb einer Mindesttemperatur und damit einen Gefrierschutz zu bewirken .

Damit ist eine besonders vorteilhafte Möglichkeit geschaf fen, um das nicht netzgekoppelte Elektrolysesystem 100 in Of fsho- re-Auf Stellung bei einer Außentemperatur über Wasser von unter 5 ° C sicher vor Frostschäden zu schützen . Der Elektrolyseanlage 5 , insbesondere dem frostgefährdeten Elektrolyseur in einem Container 9 , kann mittels der Wärmeversorgungseinrichtung 7 mit der integrierten CCp-Tief ensonde 37 , welche das tiefe Meerwasser als Wärmereservoir 15 nutzt , sehr ef fi zient Verdunstungswärme aus dem Arbeitsmedium 23 zugeführt werden . Die Elektrolyseanlage 5 weist einen in einem Container 9 angeordneten Elektrolyseur auf , dessen Abwärme in einem Normalbetrieb als Prozesswärme aus dem Container 9 bei Bedarf ebenfalls über den Wärmetauscher 43 oder einen eigens vorgesehenen Kühlkreislauf abgeführt werden kann . Somit kann der Wärmetauscher 11 bedarfsweise auch zur Kühlung der Elektrolyseanlage 5 im Normalbetrieb eingesetzt werden . Das Wärmerohr 17 der Wärmeversorgungseinrichtung 7 kann im oberen Teil über den Verdampfer 11 mit dem Wärmetauscher 43 baulich in den Container 9 integriert sein .

Um die Funktionsweise der verdampfungsbasierten Wärmeversorgungseinrichtung 7 zu illustrieren, ist nachfolgend anhand der FIG 3 in einer schematischen Schnittdarstellung ein Wärmerohr 17 gezeigt . Das Wärmerohr 17 ist als schwerkraf tge- triebene CCp-Tief ensonde 37 ausgeführt mit Kohlendioxid CO2 als Arbeitsmedium 23 . Das Wärmerohr 17 weist eine zylinderförmige bzw . rohrförmige Gestalt auf mit einer überwiegenden Längsausdehnung entlang einer vertikalen Achse . Das Wärmerohr 17 weist an seinem vertikal oberen Ende einen Kondensator 11 und an seinem vertikal unteren Ende einen Verdampfer 13 auf . Zwischen dem Verdampfer 13 und dem Kondensator 13 ist bei dem Wärmerohr 17 eine adiabate Zone 39 gebildet . Dabei ist das Wärmerohr 17 j e nach gewähltem Betriebspunkt für die Verdampfung mit Kohlendioxid CO2 unter einem Arbeitsdruck von 35bar bis 45bar gasdicht gefüllt , insbesondere können 37bar bis 42bar eingestellt sein . Dadurch kann eine entsprechende Verdampfungstemperatur von etwa 2 ° C bis 6 ° C, insbesondere 4 ° C bis 8 ° C eingestellt und auf die Einsatzsituation angepasst werden . Im Betrieb ist das Wärmerohr 17 mit dem Verdampfer 13 an ein Wärmereservoir 15 thermisch gekoppelt , so dass eine externe Wärmequelle zur Verdampfung des Arbeitsmediums 23 bereitgestellt ist , wobei Hei zwärme H auf das Arbeitsmedium 23 entsprechend der spezi fischen Verdampfungsenthalpie übertragen wird . Entsprechend ist das Wärmerohr 17 mit dem Kondensator 11 thermisch an eine externe Wärmesenke gekoppelt , vorliegend einen Wärmetauscher 43 . An dem Kondensator 11 wird die Hei zwärme H als Kondensationswärme entsprechend der spezi fischen Verdampfungsenthalpie wieder freigesetzt . Die Kondensationswärme kann zur Temperaturhaltung der Elektrolyseanlage 5 über den Wärmetauscher 43 abgegri f fen und auf die Elektrolyseanlage 5 übertragen werden . Dabei werden vor allem die wasserführenden Systeme der Elektrolyseanlage 5 in einem Stillstandsbetrieb sicher vor einem Einfrieren geschützt . Für den Wärmetransport ist eine Steuereinrichtung 41 vorgesehen, die als eine interne Wärmesteuerung 41 für die über das Arbeitsmedium 23 übertragene Hei zwärme H ausgestaltet ist . Die interne Wärmesteuerung 41 kann dabei ein steuerbares Ventil oder eine steuerbare Drosseleinrichtung als Steuerelement aufweisen, so dass der Hin- und Rückfluss des Arbeitsmediums 23 steuerbar und damit der Wärmetransport zum Kondensator 11 steuerbar ist . Auf diese Weise ist die Temperaturhaltung und die erzielbare Mindesttemperatur der Elektrolyseanlage über den übertragenen Wärmestrom in gewissen Grenzen steuerbar . Der innere Wärmetransport in dem Wärmerohr 17 selbst lässt sich damit steuern, und zwar mittels eines Ventils oder einer Drossel innerhalb des Wärmerohrs als Steuerelement .

Die Fähigkeit , Wärmeenergie zu transportieren, hängt bei einem Wärmerohr 17 maßgeblich von der spezi fischen Verdampfungsenthalpie ( in kJ/mol oder kJ/ kg) des Arbeitsmediums ab und nicht von der Wärmeleitfähigkeit der Gefäßwand des Wärmerohrs 17 oder des Arbeitsmediums 23 . Aus Ef fi zienzgründen wird das Wärmerohr 13 daher am warmen Ende nur knapp über und am kalten Ende nur knapp unter der Siedetemperatur des Arbeitsmediums 23 unter dem vorgegebenen Arbeitsdruck betrieben .

Das Wärmerohr 13 ist allgemein ein metallenes Gefäß länglicher Form oder ein Rohr verwendbar, vorliegend als eine CO2- Tiefensonde 37 ausgeführt , und welches ein hermetisch gekapseltes Volumen enthält . Das Wärmerohr 13 ist im Aus führungsbeispiel mit Kohlendioxid CO2 als Arbeitsmedium 23 gefüllt . Es ist aber auch möglich, dass das Wärmerohr 13 mit einem anderen Arbeitsmedium 23 , wie z . B . Wasser oder Ammoniak gefüllt ist , welches das gekapselte Volumen zu einem kleinen Teil in flüssigem, zum größeren Teil im gas förmigen Zustand aus füllt . Die Stelle des Gefäßes , welche der Energieaufnahme dient , ist der Verdampfer 13 , diej enige Stelle des Gefäßes , welche der Energieabgabe dient , heißt Kondensator 11 . Die Funktionsweise ist derart , dass Eintrag von Hei zwärme H die Temperatur von Gefäß und Arbeitsmedium 23 so lange erhöht , bis der Siedepunkt des Arbeitsmediums 23 erreicht ist . Von da an beginnt das Arbeitsmedium 23 zu verdampfen und die Temperatur steigt nicht mehr weiter an . Die gesamte zugeführte Hei zenergie H wird stattdessen in die Verdampfungsenthalpie umgesetzt . Dadurch wird über dem Flüssigkeitsspiegel der Druck im Wärmerohr 13 lokal erhöht , was zu einem geringen Druckgefälle innerhalb des Wärmerohrs 13 führt . Das entstandene dampf förmige Arbeitsmedium 23 beginnt sich im gesamten verfügbaren Volumen zu verteilen, d . h . es strömt überall da- hin, wo der Druck niedriger ist . An denj enigen Stellen, wo die Dampf temperatur den Siedepunkt des Arbeitsmediums 23 unterschreitet , kondensiert er . Dazu muss der Dampf Hei zenergie H an das Gefäß und das Gefäß an die Umgebung abgeben . Am stärksten geschieht dies an der Stelle , wo der Kondensator 11 angeordnet ist , in dem gegebenenfalls aktiv gekühlt werden und eine Wärmesenke bereitgestellt ist . Die Temperatur sinkt nun nicht mehr, bis die gesamte enthaltene Kondensationsenthalpie an die Umgebung, vorliegend an den Wärmetauscher 43 und die daran thermisch gekoppelte Elektrolyseablage 5 , abgegeben worden ist . Der j eweils flüssige Anteil des Arbeitsmediums 23 kehrt durch Schwerkraft getrieben ( Thermosiphon) zum Verdampfer 13 zurück . Damit letzteres funktioniert , muss dort der Anteil an Arbeitsmedium 23 im flüssigen Aggregat zustand geringer sein .

Da sich Dampf und Flüssigkeit des Arbeitsmediums 23 im selben gekapselten Raum aufhalten, befindet sich das System im Nassdampfgebiet . Das hat zur Folge , dass bei einem bestimmten Druck im Wärmerohr 17 exakt eine bestimmte Temperatur vorliegt . Da die Druckunterschiede in einem Wärmerohr 17 mit meist wenigen Pascal sehr gering sind, ist die sich einstellende Temperaturdi f ferenz zwischen Verdampfer 13 und Kondensator 11 auch gering und beträgt maximal wenige Kelvin . Ein Wärmerohr 17 besitzt daher einen sehr geringen Wärmewiderstand . Der Bereich zwischen Verdampfer 13 und Kondensator 11 ist praktisch isotherm .

Bei dem schwerkraftgetriebenen Wärmerohr 17 handelt es sich um einen Zwei-Phasen-Thermosiphon oder auch Gravitationswärmerohr . Hier zirkuliert das Arbeitsmedium 23 selbstständig aufgrund der Schwerkraft . Dadurch fließt das Arbeitsmedium 23 selbstständig in den Verdampfer 13 zurück . Die Hei zwärme H wird insbesondere nur über den Sumpf , also bis zur Höhe des Flüssigkeitsspiegels , zugeführt . Dies ist von der Filmbildung durch das zurückfließende flüssige Arbeitsmedium 23 abhängig .

Claims

Patentansprüche

1. Elektrolysesystem (100) umfassend eine Windkraftanlage (1) und eine Elektrolyseanlage (5) , die zur Versorgung mit Elektrolysestrom an die Windkraftanlage (1) angeschlossen ist, wobei ein Inselnetz ohne Anschluss an ein Versorgungsnetz realisiert ist, weiter umfassend eine an die Elektrolyseanlage (5) gekoppelte und mit einem Arbeitsmedium (23) betreibbare Wärmeversorgungseinrichtung (7) , die einen Verdampfer (13) und einen Kondensator (11) aufweist, und die derart ausgestaltet ist, dass in einem Stillstandsbetrieb mittels des Kondensators (11) Kondensationswärme des Arbeitsmediums (23) auf die Elektrolyseanlage (5) übertragbar ist, so dass eine Temperaturhaltung oberhalb einer Mindesttemperatur bewirkt ist .

2. Elektrolysesystem (100) nach Anspruch 1, bei dem die Wärmeversorgungseinrichtung (7) ein schwerkraftgetriebenes Wärmerohr (17) aufweist, wobei der Kondensator (11) oberhalb des Verdampfers (13) an dem Wärmerohr (17) gebildet ist.

3. Elektrolysesystem (100) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Wärmeversorgungseinrichtung (7) eine Tiefensonde (37) aufweist, die für die Entnahme von Wärme aus einem tief gelegenen Wärmereservoir (15) ausgelegt ist, wobei der Verdampfer (13) in das Wärmereservoir (15) eintaucht.

4. Elektrolysesystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Wärmeversorgungseinrichtung (7) ein Wärmereservoir (15) aufweist, welches innerhalb des Turms (19) der Windkraftanlage (5) gebildet ist.

5. Elektrolysesystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Wärmeversorgungseinrichtung (7) ein Wärmerohr (17) aufweist, wobei der Verdampfer (13) mit dem Kondensator (11) über eine adiabate Zone (39) verbunden ist, so dass eine selbstständige Zirkulation des Arbeitsmediums (23) in dem Wärmerohr (17) bewirkt ist.

6. Elektrolysesystem (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, mit einem in das Wärmerohr (17) unter einem vorgegebenen Arbeitsdruck eingebrachten Arbeitsmedium (23) , so dass unter dem Arbeitsdruck eine Verdampfungstemperatur im Bereich von 2°C bis 10°C, insbesondere zwischen 4°C und 8°C, eingestellt ist .

7. Elektrolysesystem (100) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei dem das Wärmerohr (17) als CCy-Tief ensonde (37) ausgestaltet ist, mit Kohlendioxid (CO2) als Arbeitsmedium (23) .

8. Elektrolysesystem (100) nach Anspruch 7, bei dem das Kohlendioxid (CO2) unter einem Arbeitsdruck von 35bar bis 45bar, insbesondere zwischen 37bar und 42bar, in das Wärmerohr (17) eingebracht ist.

9. Elektrolysesystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem für den Wärmetransport eine interne Wärmesteuerung (41) vorgesehen ist, mit einem Ventil oder einer Drossel als Steuerelement, so dass der Hin- und Rückfluss des Arbeitsmediums (23) steuerbar ist.

10. Elektrolysesystem (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 9, bei der der Verdampfer (13) innerhalb des Fundaments (33) der Windkraftanlage (1) angeordnet ist, so dass im Verdampfer

(13) eine Verdampfung von flüssigem Arbeitsmedium (23) durch Tiefenwärme bewirkt ist.

11. 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) ausgelegt ist. 12. Elektrolysesystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Wärmetauscher (11) vorgesehen ist, der thermisch an den Kondensator (11) derart gekoppelt ist, dass in einem Stillstandsbetrieb Kondensationswärme des Arbeitsmediums (23) auf wasserführende Komponenten der Elektrolyseanlage (5) übertragbar ist.

13. Elektrolysesystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Windkraftanlage (1) mit einem Turm (19) und mit einer am Turm (19) befestigten Plattform (3) auf der eine angeordneten Elektrolyseanlage (5) angeordnet ist.

14. Elektrolysesystem (100) nach Anspruch 13, bei der der Verdampfer (13) im Unterwasserbereich (31) in tiefen Wasserschichten oder im Meeresgrund (35) angeordnet ist.

15. Verfahren zum Betrieb eines Elektrolysesystems (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem Stillstandsbetrieb mittels der Wärmeversorgungseinrichtung (7) ein Arbeitsmedium (23) verdampft und verdampftes Arbeitsmedium

(23) kondensiert wird, wobei Kondensationswärme 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.

16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Temperaturhaltung bei einer Außentemperatur von weniger als 5°C in Gang gesetzt wird, wobei Arbeitsmedium (23) in einem schwerkraftbetriebenen Wärmerohr (17) zirkuliert wird und dem Arbeitsmedium (23) Kondensationswärme entnommen und auf die wasserführenden Komponenten der Elektrolyseanlage (5) übertragen wird, so dass ein Gefrierschutz herbeigeführt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, bei dem der Wärmestrom über eine Steuereinrichtung (41) gesteuert wird, wobei der Hin- und Rückfluss des zirkulierenden Arbeitsmediums (23) eingestellt wird, wobei die auf die Elektrolyseanlage (5) übertragene Kondensationswärme eingestellt wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15, 16 oder 17, wobei in einem Normalbetrieb die Elektrolyseanlage (5) von der Windkraftanlage (1) mit Elektrolysestrom versorgt wird, wobei Prozesswärme aus dem Elektrolyseur über einen Wärmetauscher (11) abgeleitet wird.