EP4754378A1 - 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), die zur Versorgung mit Elektrolysestrom an die Windkraftanlage (1) angeschlossen ist, und weiter umfassend eine an die Elektrolyseanlage (5) angekoppelte Wärmeversorgungseinrichtung (7), die derart ausgestaltet ist, dass in einem Stillstandsbetrieb mittels der Wärmeversorgungseinrichtung (7) auf die Elektrolyseanlage Wärme übertragbar ist, so dass eine Temperaturhaltung oberhalb einer Mindesttemperatur bewirkt ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb eines entsprechenden Offshore-Elektrolysesystems. Dabei wird in einem Stillstandsbetrieb mittels der Wärmeversorgungseinrichtung (7) auf die Elektrolyseanlage (5) Wärme übertragen, 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 t- anlage eine Elektrolyseanlage auf gestellt ist . Dabei kann die Windkraftanlage mit der Elektrolyseanlage zu einem weitgehend autarken, d . h . nahezu netzunabhängigen Elektrolyssystem zusammengeschaltet und speziell für einen Of fshore- 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 vermeiden . Daher werden derzeit mit großer Intensität Of f shore-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 heraus- fordernd, 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 Elektrolseure 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-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 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 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 , die zur Versorgung mit Elektrolysestrom an die Windkraftanlage angeschlossen ist , und weiter umfassend eine an die Elekt- rolyseanlage angekoppelte Wärmeversorgungseinrichtung, die derart ausgestaltet ist , dass in einem Stillstandsbetrieb mittels der Wärmeversorgungseinrichtung auf die Elektrolyseanlage Wärme übertragbar ist , so dass eine Temperaturhaltung oberhalb einer Mindesttemperatur bewirkt ist .

Die auf ein Verfahren zum Betrieb eines Of fshore- Elektrolysesystems gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines entsprechenden Of f shore-Elektrolysesystems , wobei in einem Stillstandsbetrieb mittels einer Wärmeversorgungseinrichtung auf die Elektrolyseanlage Wärme 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 Of f shore-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 Of f shore-Windenergieanlagen und deren wachsende elektrische Erzeugungsleistung entsprechend leistungsfähigere Elektrolyseanlagen erfordern . Es wird daher erwartet , dass die Leistungsklasse von Of f shore-Elektrolysesyste- men 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 un- ter Umweltgesichtspunkten ein möglichst eingri f fsarmer Betrieb zu gewährleisten . Eine autarke 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 Of fshore- Elektrolysesystem ein Wärmehaltungskonzept implementiert , das sich in kritischen Witterungsbedingungen und Betriebssituationen durch eine hohe Zuverlässigkeit und eine intrinsische Aus fallsicherheit aus zeichnet . Damit ist ein praktisch wartungs freies Of f shore-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 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 große 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 Wärmeversorgungseinrichtung hingegen ist eine Temperaturhaltung auch über mehrere Tage bei einer Dunkel flaute sichergestellt , wobei der Wärmeübertragung hinsichtlich einer erforderlichen Mindesttemperatur einstellbar ist , die eingehalten wird . Somit ist das Wärmeversorgungssystem auf eine minimale Wärmeabgabe und einen minimalen Wärmeverbrauch für die Temperaturhaltung auf den Bedarf der Elektrolyseanlage gezielt angepasst .

In einer besonders bevorzugten 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 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 das Wärmeversorgungsystem zu übertragen, insbesondere um die Wärme zu speichern und für eine spätere Nutzung zur Temperaturhaltung verfügbar zu halten . Die Prozesswärme wird daher Wärme nicht oder allenfalls teilweise an die Umgebung angeführt .

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 ei- nes 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 .

In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung des Of fshore- Elektrolysesystem weist die Wärmeversorgungseinrichtung eine Wärmepumpe auf , die an ein Wärmereservoir gekoppelt ist .

Damit ist es erreicht , dass gespeicherte Wärme aus dem Wärmereservoir mittels der Wärmepumpe entnommen und über den Wärmetauscher gezielt an die frostgefährdeten Komponenten der Elektrolyseanlage übertragbar sind . Dies ist insbesondere während eines Stillstandsbetriebs bei zugleich akuter Frostgefahr der Fall , wobei Wärme aus dem Wärmereservoir zur Temperaturhaltung oberhalb einer erforderlichen Mindesttemperatur bereitgestellt ist .

In besonders bevorzugter Ausgestaltung des Of fshore- Elektrolysesystems weist die Wärmeversorgungseinrichtung eine Wärmepumpe mit einer Tiefensonde auf , die für die Entnahme von Wärme aus dem Meerwasser ausgelegt ist .

Damit ist eine besonders vorteilhafte Möglichkeit geschaf fen, um nicht netzgekoppelte Of f shore-Elektrolysesysteme bei einer Außentemperatur über Wasser von unter 5 ° C sicher vor Frostschäden zu schützen . Der Elektrolyseanlage , insbesondere dem frostgefährdeten Elektrolyseur, kann mittels einer Wärmepumpe mit Tiefensonde , welche das tiefe Meerwasser als Wärmereservoir nutzt , Wärme zugeführt werden .

Dafür kann vorzugsweise ein kleiner Batteriespeicher mit einer gewissen geringen Kapazität an elektrischer Energie lediglich zum Betrieb der Wärmepumpe vorgehalten werden . Hier sind Kapazitäten von deutlich weniger als 50 kWh ausreichend, typischerweise etwa im Bereich 20 kWh - 30 kWh zur Wärmeversorgung einer Anzahl von Elektrolyseuren, die j eweils in einer entsprechenden Anzahl von Containern auf einer Of fshoreplattform angeordnet sind . Der erhebliche Vorteil liegt darin, dass die benötigte Kapazität deutlich kleiner ist als die benötigte Wärmemenge zur Tempertaturhaltung, da die Wassertemperatur in tieferen Schichten auch im Winter stets über 0 ° C liegt . Aus dem Wirkungsprinzip der Wärmepumpe , bei dem j e geringer der Temperaturunterschied zwischen der Energiequelle und der benötigten Nutzwärme ist , auch desto weniger Antriebsleistung aufgebracht werden muss , ergibt sich dann die Energieersparnis und somit ein Kostenvorteil gegenüber einer rein elektrischen Hei zung mit großen Batterieaggregaten oder durch Dieselgeneratoren . Beispielsweise kann eine Wasser- Wasser-Wärmepumpe (WWWP ) mit Entzug der Wärme aus dem tiefen Meerwasser als Wärmereservoir eingesetzt werden . Es ist aber auch möglich, dass j e nach Wirkprinzip der Wärmepumpe in den Leitungen der Tiefensonde als Betriebsmittel nicht Wasser, sondern ein Kältemittel , Anwendung findet , welches in einem geschlossenen Kreislauf zirkuliert . Bei typischen Leistungszahlen von mindestens 4 bis 5 steht mindestens das Vier- bis Fünf fache der eingesetzten Leistung als nutzbare Wärmeleistung zur Verfügung, der Zugewinn stammt aus der dem Wärmereservoir entzogenen Umgebungswärme . Die Leistungs zahl hängt stark vom unteren und oberen Temperaturniveau ab, die bei der Of f shore-Anwendung in einem Stillstandsbetrieb des Elektrolysesystems sehr dicht beieinanderliegen .

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Of fshore- Elektrolysesystems , ist die Wärmeversorgungseinrichtung am Turm der Windkraftanlage angeordnet , wobei die Tiefensonde in das Meerwasser eingetaucht ist .

Das Anbringen und Befestigen einer Wärmeversorgungseinrichtung mit Tiefensonde außerhalb am Turm der Windkraftanlage ergibt zusätzlich den Vorteil , dass kein zusätzlicher Bauraum auf der Plattform für die Installation der Wärmeversorgungseinrichtung benötigt wird . Zudem ist eine Befestigung und Ausrichtung am Turm bautechnisch einfach zu bewerkstelligen und statisch unproblematisch . Betriebsvorteile ergeben sich vor allem auch durch ein lotrechtes und hindernis freies Eintauchen und Positionieren der Tiefensonde bis in die für die Arbeitstemperatur vorgesehene Meerestiefe . Zumindest teilweise ragt die Wärmeversorgungseinrichtung dabei über den Meeresspiegel , um etwa in Höhe der auf der Plattform angeordneten Elektrolyseanlage eine möglichst einfache thermische Ankopplung und Wärmeübertragung auf die Elektrolyseanlage über den Wärmetauscher zu erreichen .

Bei einem weiter in vorteilhafter Weise ausgestalteten Of f- shore-Elektrolysesystem, weist die Wärmeversorgungseinrichtung einen Wärmespeicher auf , der derart ausgeführt ist , dass in einem Normalbetrieb der Wärmespeicher mit Abwärme aus dem Elektrolyseprozess beladbar ist und in einem Stillstandsbetrieb dem Wärmespeicher gespeicherte Wärme der Elektrolyseanlage zuführbar ist .

Hierdurch wird eine weitere Möglichkeit geschaf fen, um ein nicht netzgekoppeltes Of f shore-Elektrolysesystem bei einer Außentemperatur über Wasser von unter 5 ° C sicher vor Frostschäden zu schützen . Das Wirkprinzip besteht hier darin, der Elektrolyseanlage Wärmeenergie mittels einer Wärmepumpe zuzuführen, welche als Wärmereservoir einen eigens dafür vorgesehenen Wärmespeicher nutzt . Diese Aus führung kann als eine Alternative oder eine zusätzliche Ergänzung zu der Ausgestaltung des Wärmeversorgungssystems mit Tiefensonde mit dem Meerwasser als unbegrenztem Wärmereservoir, wie oben beschrieben, installiert sein . Der Wärmespeicher ist in dieser Aus führung dann vorteilhafterweise als Anlagenkomponente des Of f shore-Elektrolysesystems beispielsweise auf der Plattform oder in einem Container installiert .

In besonders vorteilhafter Weiterbindung und Ausstattung des Of f shore-Elektrolysesystem weist die Wärmeversorgungseinrichtung ein Wärmereservoir auf , welches innerhalb des Turms der Windkraftanlage gebildet ist .

Auf diese Weise kann das Wärmereservoir beispielweise als entsprechender Wärmespeicher durch eine Kavität innerhalb des Turms der Windkraftanlage selbst gebildet bzw . eingearbeitet sein . Das Wärmereservoir ist dadurch vorzugsweise tief unter der Wasseroberfläche innerhalb des Turms eingelassen, um die möglichst konstante Umgebungstemperatur unter Wasser aus zunutzen . Mit dieser Konstruktion durch einen Einschluss im Turm geht auch vorteilhaft eine thermische I solationswirkung des Wärmespeichers einher . Zugleich beeinträchtigt das Einbringen eines Wärmespeichers 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 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 .

In vorteilhafter Ausgestaltung weist bei dem Of fshore- Elektrolysesystem das Wärmereservoir einen Behälter auf , in den ein Wärmespeichermedium eingebracht ist .

Das Wärmereservoir mit dem das Wärmespeichermedium aufweisenden Behälter kann dabei beispielsweise geodätisch unterhalb der Elektrolyseanlage in deren Fundamentbereich oder innerhalb des Fundaments des Turmes gebildet oder untergebracht sein . Das Wärmereservoir kann zum Beispiel als Behälter ein isoliertes Wasserbecken oder auch als kavernenartiges Behält- nis mit einem Sal z als Wärmespeichermedium ausgeführt sein .

Das j eweilige Wärmespeichermedium ist in den Behälter eingebracht und füllt dieses zumindest teilweise oder vollständig aus .

Mit Wärme geladen wird dieses Wärmespeichermedium vorteilhafterweise mit der Abwärme des Elektrolyseurs der Elektrolyseanlage während deren normalen Betriebs . Im Stillstandsbetrieb der gesamten Anlage kann dann bedarfsweise über eine Leitung die gespeicherte Wärmeenergie aus dem Wärmereservoir der Elektrolyseanlage wieder zugeführt werden, um Frostschäden zu vermeiden . Auch hier ist für den Betrieb einer Wärmepumpe eine gewisse Menge an gespeicherter elektrischer Energie zur Zirkulation und Aufrechterhaltung eines Wärmeaustauschs über die Wärmepumpe vorgesehen . Aufgrund der Temperaturniveaus ist mit einer hohen Leistungs zahl zu erwarten, so dass deutlich weniger elektrische Energie als die zur Temperaturhaltung benötigte Wärmeenergie vorgehalten werden muss . Somit ergibt sich wieder eine Energieersparnis und somit ein Kostenvorteil durch eine deutlich kleiner zu dimensionierende Hil fsbatterie für den Stillstandsbetrieb .

In besonders bevorzugter Ausgestaltung des Of fshore- Elektrolysesystem ist als Wärmespeichermedium Wasser und/oder ein Latentwärme speicherndes Material mit einem niedrigen Schmel zpunkt zwischen etwa 30 ° C und 70 ° C vorgesehen, insbesondere ein Sal z , ein Sal zgemisch oder ein Paraf fin .

Wasser ist bei dem Of f shore-Elektrolysesystem bereits verfügbar und generell Wasser aufgrund seiner hohen spezi fischen Wärmekapazität ein sehr gutes Wärmespeichermedium, was darüber hinaus gut handhabbar und besonders umweltverträglich ist . Daher ist ein Wärmespeicher mit Wasser als Wärmespeichermedium vorteilhaft und sehr einfach zu betreiben anzuwenden . Insbesondere haben aber auch Latentwärme speichernde Materialien als Wärmespeichermedium sehr große Vorteile , v . a . hinsichtlich der Energiedichte und der erzielbaren Temperaturniveaus bei der Wärmefreisetzung . Überdies ist Latentwärme zeitlich sehr lange speicherbar . Daher ist die Aus führung des Wärmespeichers als ein Latentwärmespeicher besonders vorteilhaft für die Anwendung dem Of f shore-Elektrolysesystem .

Ein Latentwärmespeicher, auch Phasenwechsel- oder PCM- Speicher genannt , ist ein spezieller Typ von Wärmespeicher, der einen Großteil der ihm zugeführten thermischen Energie in Form von Umwandlungsenthalpie , früher latente Wärme genannt z . B . für einen Phasenwechsel von fest zu flüssig speichert . Die gespeicherte Energie ist verborgen, da, solange die Phasenumwandlung nicht ganz abgeschlossen ist , die Temperatur eines Stof fes trotz Wärmezufuhr nicht weiter ansteigt . Latentwärmespeicher können daher in einem kleinen Temperaturbereich rund um den Phasenwechsel sehr große Wärmemengen speichern und übertref fen dabei Wärmespeicher, die nur die thermische Energie eines Stof fes nutzen, wie etwa Heißwasserspeicher . Da viele Stof fe mit unterschiedlichsten Schmel zpunkten als Phasenwechselmaterial ( engl . phase change material , PCM) in Frage kommen, können viele Speicheranwendungen vom Kältebis zum Hochtemperaturwärmespeicher mit dieser Technik prinzipiell abgedeckt werden .

In vorteilhafter Ausgestaltung und Ausstattung des Of fshore- Elektrolysesystems ist als ein Latentwärme speicherndes Material Natriumacetat-Trihydrat , Dinatriumhydrogenphosphat oder Mischungen daraus in übersättigter Lösung in den Behälter eingebracht .

Das Latentwärme speichernde Material ist in dem Behälter eingebracht , so dass ein Wärmereservoir mit einem hohen Latentwärmeinhalt bereitgestellt ist . Vorteilhafterweise ist der Latentwärmespeicher im Normalbetrieb auf besonders einfache Weise bereits durch die Abwärme des Elektrolyseprozesses aufladbar . Es ist aber auch möglich, dass alternativ oder zusätzlich zur Beladung mit Abwärme aus der Elektrolyse ein elektrisch betreibbares Hei zelement , etwa als Widerstandshei zelement ausgeführt , in dem der Latentwärmespeicher angeordnet ist und von dem Latentwärme speichernden Material um- geben ist . Damit ist bedarfsweise eine elektrische Aufhei zung und Phasenwechsel mit sehr hoher Wärmeleistung erzielbar, wobei die benötigte Hei zenergie z . B . unmittelbar aus der Windkraftanlage generatorseitig temporär ausgekoppelt wird . Das Wärmereservoir kann so in kurzer Zeit beladen werden, was besonders vorteilhaft ist für Wetterlagen, bei denen erneut eine Dunkel flaute zu befürchten ist . Auch sind höhere Temperaturen als das Temperaturniveau der Abwärme aus der Elektrolyse mit dem Hei zelement möglich, so dass bedarfsweise auch Materialien mit höherer Umwandlungstemperatur für einen Einsatz in dem Behälter zur Verfügung stehen . Es ist auch möglich, dass elektrische Hei zenergie aus einer aufladbaren Hil fsbatterie entnommen wird, oder aus einer erneuerbaren Energiequelle , wie etwa einer Fotovoltaikanlage .

Vorteilhafterweise ist in dem als Latentwärmespeicher ausgeführten Wärmespeicher eine Aktivierungsvorrichtung vorgesehen, mittels derer eine Kristallisation herbei führbar und gespeicherte Latentwärme freisetzbar ist .

Die Aktivierungsvorrichtung ist derart ausgestaltet , dass ein Druckpuls oder eine Druckwelle als Auslöser für die Kristallisation der übersättigten Lösung gezielt in das aufgeladene und Latentwärme speichernde Material eintragbar ist . Hierzu kann beispielsweise ein kleiner Piezoaktor mit einem Piezo- element oder ein umklappbares Metallplättchen Anwendung finden, so dass lokal eine Druckwelle für die Entladung und das Freisetzen der Latentwärme in dem Latentwärme speichernden Material ausgelöst wird . Ursächlich ist hier, dass durch den Druckpuls mikroskopisch kleine Kristallisationskeime freigesetzt werden, die die Kristallisation in Gang setzen, wobei Wärme freigesetzt wird .

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

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

Vorzugsweise wird in dem Verfahren die Temperaturhaltung bei einer Außentemperatur von weniger als 5 ° C in Gang gesetzt , wobei gespeicherte Wärme aus dem Wärmereservoir entnommen und auf die wasserführenden Komponenten der Elektrolyseanlage übertragen wird, so dass ein Gefrierschutz bewirkt ist .

Zur Ankopplung bzw . Übertragung der in dem Wärmereservoir gespeicherten Wärme auf frostgefährdete wasserführende Komponenten der Elektrolyseanlage werden Wärmetauscher verwendet . Diese können zugleich im Normalbetrieb zur Beladung des Wärmereservoirs mittels Abwärme aus der Elektrolyse eingesetzt werden, d . h . bidirektional auch zu Kühlungs zwecken der Elektrolyseanlage durch gezielte Ableitung der Prozesswärme .

In bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens wird daher in einem Normalbetrieb die Elektrolyseanlage von der Windkraftanlage mit Elektrolysestrom versorgt , wobei Prozesswärme aus dem Elektrolyseur über einen Wärmetauscher abgeleitet und auf das Wärmereservoir übertragen wird .

In weiter bevorzugter Aus führung des Verfahrens wird Prozesswärme aus dem Elektrolyseur abgeleitet und auf ein Wärmespeichermedium übertragen, wobei der Wärmespeicher beladen wird .

In besonders bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens wird der Wärmespeicher beladen, indem Wärme auf ein Latentwärme speicherndes Material , insbesondere ein Sal z , übertragen wird, wobei das Material zumindest teilweise verflüssigt wird . Ausgestaltungen, Merkmale und/oder Vorteile , die sich vorliegend auf das Of f shore-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 Of f shore-Elektrolysesystem mit einer Elektrolyseanlage und mit einer Windkraftanlage ;

FIG 2 eine schematische Seitenansicht des Of fshore- Elektrolysesystems mit einer Wärmeversorgungseinrichtung mit Wärmepumpe ;

FIG 3 eine schematische Seitenansicht des Of fshore- Elektrolysesystems mit einem Wärmespeicher .

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 aufweist , wie im oberen rechten Teil von FIG 1 abgebildet ist . Im unteren Bereich des Turms 19 ist an dem Turm 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 Of fs- hore-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 alleinig für die 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 das Eduktwasser 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 der Figuren 1 und 3 abweichend, sind die erfindungsgemäß vorgestellten Mittel zur verbesserten Wärmeversorgung 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 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 Windenergieanlage 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 . Die Wärmeversorgungseinrichtung 7 ist hierbei an die Elektrolyseablage 5 angekoppelt und derart ausgestaltet , dass in einem Stillstandsbetrieb mittels der Wärmeversorgungseinrichtung 7 auf die Elektrolyseablage 5 Wärme 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 Of fshore- Elektrolysesystems 100 mit einer Wärmeversorgungseinrichtung 7 gezeigt . Die Wärmeversorgungseinrichtung 7 ist am Turm 19 der Windkraftanlage 1 etwa auf der Höhe der Plattform 5 befestigt und ragt entlang des Turms 19 tief in den Unterwasserbereich 31 unterhalb des Meeresspiegels 25 hinein . Der Turm 19 ist fest in dem Meeresgrund 35 mittels eines Fundaments 33 verankert . Die Wärmeversorgungseinrichtung 7 weist eine Wärmepumpe 13 mit Tiefensonde 17 auf , so dass Meerwasser als Wärmereservoir 15 dient . Somit kann im Stillstandsbetrieb Wärme mittels der Tiefensonde aus tiefen Bereichen dem Meerwasser als Wärmereservoir 15 entnommen und mit der Wärmepumpe 13 gefördert und an die Elektrolyseanlage 5 mittels des Wärmetauschers 11 übertragen werden . Die Tiefensonde 17 ist in einer Tiefe bei einem vorteilhaften Temperaturniveau des Meerwassers angeordnet , das oberhalb von etwa 5 ° C für die höhere Temperatur liegt . Aufgrund der vorteilhaften Leistungszahl der Wärmepumpe 13 in der Einsatzumgebung mit nur geringen Temperaturdi f ferenzen von wenigen Grad, beispielsweise 1- 5 ° C, ist zum elektrischen Antrieb der Wärmepumpe allenfalls ein klein dimensioniertes elektrisches wiederaufladbares Batterieaggregat etwa in einem Container 9 vorzuhalten mit typischerweise etwa 25 - 30 kWh elektrische Batterieladung . Damit können auch längere Phasen von mehreren Tagen einer Dunkelflaute im Winter zur Temperaturhaltung der Elektrolyseanlage 5 überbrückt werden . Damit ist eine besonders vorteilhafte Möglichkeit geschaf fen, um das nicht netzgekoppelte Of fshore- Elektrolysesystem 100 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 Wärmepumpe 13 mit Tiefensonde 17 , welche das tiefe Meerwasser als Wärmereservoir 15 nutzt , sehr ef fi zient Wärme 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 11 oder einen eigens vorgesehenen Kühlkreislauf abgeführt werden kann . Somit kann die Wärmeversorgungseinrichtung 7 bedarfsweise auch zur Kühlung der Elektrolyseanlage 5 im Normalbetrieb eingesetzt werden . Die Wärmeversorgungseinrichtung 7 kann im oberen Teil mit dem Wärmetauscher 11 baulich in den Container 9 integriert sein .

Ein weiteres Aus führungsbeispiel der Erfindung soll nachfolgend anhand FIG 2 erläutert werden, die in einer schematischen Seitenansicht ein vorteilhaft ausgestattetes Of fshore- Elektrolysesystem 100 mit einer integrierten Wärmeversorgungseinrichtung 7 zeigt . Hierbei weist die Wärmeversorgungseinrichtung 7 als Wärmereservoir 15 einen Wärmespeicher 21 auf . Der Wärmespeicher 21 ist als ein Behälter oder eine Kavität innerhalb des Turms 19 der Windkraftanlage ausgebildet - vorliegend tief unter dem Meeresspiegel innerhalb des Fundaments 33 eingearbeitet und weist ein entsprechendes Speichervolumen auf . In den Behälter des Wärmespeichers 21 ist ein Wärmespeichermedium eingebracht . Das Wärmespeichermedium 21 kann beispielsweise Wasser sein oder auch ein Latentwärme speicherndes Material mit niedrigem Schmel zpunkt zwischen etwa 25 ° C bis 80"C, insbesondere zwischen 30 ° C und 70 ° C aufwei- sen . Als Latentwärme speicherndes Wärmespeichermedium 23 kommt ein Sal z , eine übersättigte Sal zlösung oder ein Paraffin als Material in Frage . Es haben sich Sal zlösungen auf der Basis von Natriumacetat-Trihydrat , Dinatriumhydrogenphosphat oder Mischungen daraus in übersättigter Lösung in dem Behälter als vorteilhaft erwiesen, da diese hohe Energiedichten an gespeicherter Latentwärme in dem Wärmespeicher ermöglichen bei hohen Temperaturen bei der bedarfsweisen Entladung mit Wärmefreisetzung . Zur Freisetzung der Wärme ist aus dem Latentwärme speichernden Material ist eine - in der FIG 2 nicht näher dargestellte - Aktivierungsvorrichtung vorgesehen, mittels derer die Kristallisation herbei führbar und die gespeicherte Latentwärme freisetzbar ist . Die Aktivierungseinrichtung kann beispielsweise einen Druckimpulsgeber aufweisen, der piezoelektrisch oder mechanisch aktivierbar ist , so dass Kristallisationskeime gebildet und aktiviert werden . An eine Austauschleitung 37 ist ein oberer Wärmetauscher 11 und ein unterer Wärmetauscher 11 angeschlossen, so dass ein Wärmetauschermedium, z . B . Wasser, über die Wärmepumpe 13 in einem Kreislauf zirkulierbar ist . Der untere Wärmetaucher 11 ist dabei in den Wärmespeicher 21 eingetaucht und von dem Wärmespeichermedium 23 umschlossen . Der obere Wärmetauscher 11 ist an die Elektrolyseanlage 5 gekoppelt . Bei einem Normalbetrieb des Elektrolysesystems 100 kann der Wärmespeicher 21 beladen werden, etwa indem Prozesswärme aus der Elektrolyseanlage 5 über den oberen Wärmetauscher 11 auf das Wärmetauschermedium übertragen wird . Das Wärmetauschermedium gibt die Wärme an das Wärmespeichermedium 23 im Behälter ab . Es kann zusätzlich zur Prozesswärmeauskopplung aus der Elektrolyseanlage 5 eine Widerstandshei zelement vorgesehen sein, um bedarfsweise eine höhere Speichertemperatur und damit Speicherenergie zu erreichen, oder um auch Latentwärme speichernde Materialien mit hohen Umwandlungstemperaturen in kurzer Zeit beladen zu können . Ein Widerstandshei zelement kann daher beispielsweise unmittelbar in das Wärmespeichermedium 23 eingebracht bzw . eingetaucht sein . Dieses Widerstandshei zelement wird im Normalbetrieb mit Strom aus der Windkraftanlage 1 betrieben, um den Wärmespeicher 21 zu beladen . In einem Stillstandsbetrieb des Elektrolysesystems 100 kann bei Frostgefahr und Aus fall der Windkraftanlage , die in dem Wärmespeicher 21 gespeicherte Wärme oder Latentwärme für eine längerfristige Temperaturhaltung genutzt werden, um ein Einfrieren von empfindlichen wasserführenden Komponenten der Elektrolyseanlage 5 sicher zu verhindern . Dies betri f ft insbesondere den Schutz von Komponenten, wie der Elektrolyseur mit der Viel zahl von Elektrolysezellen, aber auch die wassergefüllten Gas-Separatoren sowie Hil fssysteme und Leitungen der hydraulischen Topologie der Elektrolyseablage 5 . Mithin wird bei einem Verfahren zum Betrieb des Of fshore- Elektrolysesystems 100 in einem Stillstandsbetrieb mittels der Wärmeversorgungseinrichtung 7 auf die Elektrolyseanlage 5 gespeicherte Wärme übertragen, so dass eine Temperaturhaltung oberhalb einer Mindesttemperatur herbeigeführt und ein Einfrieren von wasserführenden Komponenten der Elektrolyseanlage verhindert wird . Die Temperaturhaltung wird bei einer Außentemperatur von weniger als 5 ° C in Gang gesetzt , wobei Wärme aus dem Wärmereservoir 15 entnommen und auf die wasserführenden Komponenten der Elektrolyseanlage 5 übertragen wird, so dass ein Gefrierschutz bewirkt ist .

In einem Normalbetrieb wird die Elektrolyseanlage 5 von der Windkraftanlage 1 mit Elektrolysestrom versorgt . Dabei wird Prozesswärme aus dem Elektrolyseur über den oberen Wärmetauscher 11 abgeleitet und auf das Wärmereservoir 15 übertragen . Mithin wird Prozesswärme auf ein Wärmespeichermedium 23 übertragen und der Wärmespeicher 21 dadurch beladen . Bei einer speziellen und vorteilhaften Ausgestaltung des Wärmespeichers 21 gemäß FIG 2 wird der Wärmespeicher 21 dadurch beladen, dass Wärme auf ein Latentwärme speicherndes Material , insbesondere ein Sal z , übertragen wird, wobei das Material zumindest teilweise verflüssigt wird . Die Kristallisationswärme ist lange Zeit speicherbar und bedarfsweise freisetzbar . Die freigesetzte Latentwärme kann in der Wärmeversorgungseinrichtung 7 für die Temperaturhaltung der Elektrolyseanlage 5 über einen Wärmetauscherprozess vermöge der Austauschleitung 37 und dem oberen Wärmetauscher und dem unteren Wärmetauscher 11 besonders effizient genutzt werden.

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) , die zur Versorgung mit Elektrolysestrom an die Windkraftanlage (1) angeschlossen ist, und weiter umfassend eine an die Elektrolyseanlage (5) angekoppelte Wärmeversorgungseinrichtung (7) , die derart ausgestaltet ist, dass in einem Stillstandsbetrieb mittels der Wärmeversorgungseinrichtung (7) auf die Elektrolyseanlage Wärme übertragbar ist, so dass eine Temperaturhaltung oberhalb einer Mindesttemperatur bewirkt ist.

2. Of f shore-Elektrolysesystem (100) nach Anspruch 1, 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.

3. Of f shore-Elektrolysesystem (100) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Wärmeversorgungseinrichtung (7) eine Wärmepumpe (13) aufweist, die an ein Wärmereservoir (15) gekoppelt ist.

4. Of f shore-Elektrolysesystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Wärmeversorgungseinrichtung (7) eine Wärmepumpe (13) mit einer Tiefensonde (17) aufweist, die für die Entnahme von Wärme aus dem Meerwasser ausgelegt ist.

5. Of f shore-Elektrolysesystem (100) nach Anspruch 4, bei dem die Wärmeversorgungseinrichtung (7) am Turm (19) der Windkraftanlage (1) angeordnet ist, wobei die Tiefensonde (17) in das Meerwasser eingetaucht ist.

6. Of f shore-Elektrolysesystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Wärmeversorgungseinrichtung (7) einen Wärmespeicher (21) aufweist, der derart ausgeführt ist, dass in einem Normalbetrieb der Wärmespeicher (21) mit Abwärme aus dem Elektrolyseprozess beladbar ist und in einem Stillstandsbetrieb dem Wärmespeicher (21) gespeicherte Wärme der Elektrolyseanlage (5) zuführbar ist.

7. Of f shore-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.

8. Of f shore-Elektrolysesystem (100) nach Anspruch 7, bei dem das Wärmereservoir (15) einen Behälter aufweist, in den ein Wärmespeichermedium (23) eingebracht ist.

9. Of f shore-Elektrolysesystem (100) nach Anspruch 8, bei dem das Wärmespeichermedium (23) Wasser und/oder ein Latentwärme speicherndes Material mit einem niedrigen Schmelzpunkt zwischen etwa 30°C und 70°C vorgesehen ist, insbesondere ein Salz, ein Salzgemisch oder ein Paraffin.

10. Of f shore-Elektrolysesystem (100) nach Anspruch 9, bei dem als Latentwärme speicherndes Material Natriumacetat- Trihydrat, Dinatriumhydrogenphosphat oder Mischungen daraus in übersättigter Lösung in den Behälter eingebracht ist.

11. Of f shore-Elektrolysesystem (100) nach Anspruch 10, bei dem eine Aktivierungsvorrichtung vorgesehen ist, mittels derer eine Kristallisation herbeiführbar und gespeicherte Latentwärme freisetzbar ist.

12. Verfahren zum Betrieb eines Of f shore-Elektrolysesystems (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem Stillstandsbetrieb mittels der Wärmeversorgungseinrichtung

(7) auf die Elektrolyseanlage (5) Wärme 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, wobei Wärme aus dem Wärmereservoir (15) entnommen und auf die wasserführenden Komponenten der Elektrolyseanlage (5) übertragen wird, so dass ein Gefrierschutz bewirkt ist.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, 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 und auf das Wärmereservoir (15) übertragen wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei Prozesswärme aus dem Elektrolyseur abgeleitet und auf ein Wärmespeichermedium (23) übertragen wird, wobei der Wärmespeicher (21) beladen wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Wärmespeicher (21) beladen wird, indem Wärme auf ein Latentwärme speicherndes Material, insbesondere ein Salz, übertragen wird, wobei das Material zumindest teilweise verflüssigt wird.