EP4754379A1 - Offshore-elektrolysesystem sowie verfahren zum betrieb eines offshore-elektrolysesystems - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Offshore-Elektrolysesystem (100) umfassend eine Windkraftanlage (1) mit einer Plattform (3) und mit einer auf der Plattform (3) angeordneten Elektrolyseanlage (5), welche zur Versorgung mit Elektrolysestrom an die Windkraftanlage (1) angeschlossen ist, und weiter umfassend eine an die Elektrolyseanlage (5) angeschlossene Wasserversorgungseinrichtung (7), die einen Wassersammler (13) aufweist, der derart ausgestaltet ist, dass meerwasserunabhängig Wasser mit keinen oder nur sehr geringen Mengen von Salzen gewinnbar ist, das als Edukt-Wasser zum Betrieb der Elektro- lyseanlage (5) verwendbar ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb eines entsprechenden Offshore-Elektrolysesystems (100), wobei in einem Wassersammler (13) meerwasserunabhängig Wasser in einer Qualität gewonnen wird, bei der das gewonnene Wasser keine oder nur sehr geringe Mengen von Salzen aufweist.

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

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

Windkraf tanlage eine Elektrolyseanlage aufgestellt ist . Dabei kann die Windkraftanlage mit der Elektrolyseanlage zu einem weitgehend autarken, d . h . nahezu netzunabhängigen Elektrolysesystem zusammengeschaltet und speziell für einen Of f shore- Inselbetrieb ausgestattet sein . Im besten Fall können diese Elektrolysesysteme , umfassend eine Kombination aus einer Windkraftanlage und einer Elektrolyseanlage , auch völlig ohne eine hil fweise Kopplung an ein Stromnetz zur Versorgung errichtet und ausschließlich für einen Inselbetrieb ertüchtigt sein . Dies betri f f ft vor allem weit außerhalb der Küste errichtete Elektrolysesysteme , um lange Anschlusswege an das öf fentliche Netz der Küstenregion zu vermeiden . Die Elektrolyseanlage mit einer Anzahl von Elektrolyseuren wird dabei idealerweise unmittelbar in der Nähe der erneuerbaren Energiequellen, d . h . der Windenergieanlage , platziert um sowohl Trans formationsais auch Leitungsverluste zu verringern oder zu vermieden . Daher werden derzeit mit großer Intensität Of fshore- Elektrolysesysteme mit Elektrolyseanlagen entwickelt , welche direkt auf einer Plattform mit einer Of fshore- Windkraftanlage 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 überdies ein besonderes Augenmerk auf die Vermeidung von Korrosion der Elektrolyseanlage gelegt werden, denn durch das Vorhandensein von Sal zwasser können signi fikant höhere Korrosionsraten auftreten, was einen längeren unterbrechungs freien Betrieb einer Elektrolyseanlage gefährdet . Prinzipiell kann man Of f shore-Elektrolyseanlagen mit Elektrolyseuren ausstatten, und diese innerhalb von geschlossenen Gehäusen, den Containern, unterbringen . Dadurch kann ein gewisser Schutz vor den äußeren Umwelteinflüssen für den Elektrolyseur erzielt werden . Allerdings muss betriebsbedingt der Elektrolyseur in einem Normalbetrieb gekühlt werden, um die entstehende Abwärme aus dem Elektrolyseprozess kontinuierlich an die Umgebung abzuführen . Generell ist im Vergleich zu Onshore-Elektrolyseanlagen das Wärmemanagement bei Of fshore installierten-Elektrolyseanlagen ganz besonders heraus fordernd, und zwar sowohl hinsichtlich einer notwendigen Kühlung im Normalbetrieb als auch einer Mindesttemperaturhaltung bei einem längeren Stillstandsbetrieb . Bei letzterem Betriebsmodus ist vor allem etwa bei einer Dunkel flaute und Stillstand der Windeneergieanlage in den Wintermonaten ein ausreichender Gefrierschutz der wassergetränkten Elektrolyezellen der Elektrolyseure sicherzustellen . Hinsichtlich der Kühlungsanforderungen im Normalbetrieb bei Of f shore-Elektrolyseanlagen ist daher zumindest eine geschlossene Containerbauweise , also Einhausung zum Schutz des Elektrolyseurs etabliert , mit der Anforderung zugleich einerseits eine Überhitzung und Versagen der Elektrolseure sowie andererseits eine schädigende Korrosion durch maritime Sal zexposition zu vermeiden . Somit ist bei einer Of f shore-Elektrolyseanlage eine Schnittstelle und Austausch zwischen dem Elektrolyseur und der Umgebung letztendlich unvermeidbar, um den Wärmestrom der Prozesswärme im Normalbetrieb geeignet abzuführen und einen sicheren Betrieb zu ermöglichen .

Um die Elektrolyseure vor Umwelteinflüssen zu schützen, benötigen sie daher, wie oben ausgeführt , eine Umhausung wie z . B . einen Container . Besonders heraus fordernd bei einem Of fshore- Elektrolysesystem, basierend auf der Elektrolyse von Wasser ist das Wassermanagement . Die Innentemperatur des Containers darf daher zugleich aber auch eine Temperatur von circa 5 ° C üblicherweise nicht unterschreiten . Die wasserführenden Komponenten, welche Wasser beinhalten, können ansonsten einfrieren und den Betrieb der ganzen Anlage lahmlegen . Dies würde dem Zweck eines möglichst wartungsarmen und autarken Betriebs von Of f shore-Elektrolysesystemen mit Windkraftanlagen ohne Netzkopplung zuwiderlaufen .

Elektrolyseanlagen mit Wasserelektrolyseuren, insbesondere PEM-Wasserelektrolyseure , müssen mit demineralisiertem und hochreinem Wasser als Edukt betrieben werden . Auch bei einer alkalischen Elektrolyse beispielsweise basierend auf wässri- ger konzentrierter Kalilauge als Edukt sind die Anforderungen an die Reinheit und Qualität des Wassers bzw . der wässrigen Alkalilauge sehr hoch . Mithin sind neben dem Wärmemanagement vor allem an das Wassermanagement bei einem Of fshore- Elektrolysesystem besondere Anforderungen gestellt , um einen kontinuierlichen Betrieb und Versorgung mit Edukt-Wasser hoher Qualität und Reinheit zu gewährleisten .

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es , ein Of fshore- Elektrolysesystem anzugeben, das für eine verbesserte Bereitstellung von Edukt-Wasser eingerichtet ist , wobei der Produktionswirkungsgrad bei der Wasserstof f erzeugung gegenüber den bekannten Ansätzen erhöht ist . Eine weitere Aufgabe ist es , ein Verfahren zum Betrieb eines Of f shore-Elektrolysesystems anzugeben .

Die auf ein Of f shore-Elektrolysesystem gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Of f shore-Elektrolyse- system umfassend eine Windkraftanlage mit einer Plattform und mit einer auf der Plattform angeordneten Elektrolyseanlage , welche zur Versorgung mit Elektrolysestrom an die Windkraftanlage angeschlossen ist , und weiter umfassend eine an die Elektrolyseanlage angeschlossene Wasserversorgungseinrichtung, die einen Wassersammler aufweist , der derart ausgestaltet ist , dass meerwasserunabhängig Wasser mit keinen oder nur sehr geringen Mengen von Sal zen gewinnbar ist , das als Edukt- Wasser zum Betrieb der Elektrolyseanlage verwendbar ist .

Die auf ein Verfahren zum Betrieb eines entsprechenden Of f- shore-Elektrolysesystems gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Of fshore- Elektrolysesystems , wobei in einem Wassersammler meerwasserunabhängig Wasser in einer Qualität gewonnen wird, bei der das das gewonnene Wasser keine oder nur sehr geringe Mengen von Sal zen aufweist .

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

Mit dem Of f shore-Elektrolysesystem und dem Betriebsverfahren wird der Energieeinsatz für die Wasserversorgung und Wasseraufbereitung mit Edukt-Wasser zum Betrieb der Elektrolyseanlage deutlich verbessert . Edukt-Wasser mit hoher Reinheit und Qualität kann dadurch bereitgestellt und kontinuierlich und bedarfsweise in den Elektrolyseprozess nachgespeist werden . Dabei ist zugleich ein sicherer und umweltverträglicher sowie autarker Betrieb ermöglicht , der auch wartungsarm ist . Das Wasserversorgungssystem ist zugleich wartungsarm und eingri f fsarm, da es meerwasserunabhängig und praktisch ohne Rückgri f f auf Meerwasser auskommt .

Dabei geht die Erfindung von der Tatsache aus , dass zum Spalten von Wasser in der Elektrolyse neben dem Strom auch Wasser benötigt wird . Um etwa ein Kilogramm Wasserstof f herzustellen, werden mindestens neun Liter Wasser benötigt . Und der Verbrauch kann noch deutlich steigen, wenn das Wasser behandelt werden muss , also entsal zt bzw . deionisiert . Bei allen großtechnischen Elektrolysen wie REM- oder alkalischen Elektrolysen muss das Wasser bestimmte Reinheitsanforderungen einhalten, da sich die Verunreinigungen oder Fremdionen welche kontinuierlich dem Prozesswasser-Kreislauf zugeführt werden sonst im wasserführenden System anreichern würden . Meerwasser hat einen durchschnittlichen Sal zgehalt von 3 , 5 % Massenanteil . Der Sal zgehalt schwankt j e nach Meer . So hat die Ostsee einen Sal zgehalt von 0 , 2 bis 2 % und das Tote Meer einen Sal zgehalt von 28 % . Es gibt auch Untersuchungen zur Verwendung von Meerwasser als Elektrolyt in der Elektrolyse . Die Sal zkonzentration und die schwer löslichen Bestandteile ermöglichen j edoch bisher nur kurze Betriebs zeiten unter Laborbedingungen . Eine Entsal zung und Aufreinigung des Meerwassers ist bei einer kommerziellen großtechnischen Elektrolyseanlage bisher unerlässlich und erfordert einen hohen Energiebedarf . Dieser Energiebedarf für die Bereitstellung von vollentsal ztem hochreinem Edukt-Wasser wirkt sich bei einem Of fshore- Elektrolysesystem sehr nachteilig auf den Produktionswirkungsgrad von Wasserstof f in Bezug auf die eingesetzte elektrische Leistung der Windkraftanlage aus .

Die in verstärktem Maße installierten bzw . proj ektierten leistungsstärkeren netzunabhängigen Of f shore-Windenergie- anlagen und deren wachsende elektrische Erzeugungsleistung entsprechend leistungs fähigere Elektrolyseanlagen und einen entsprechend hohen Wasserverbrauch erfordern . Es wird 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 unter Umweltgesichtspunkten ein möglichst eingri f fsarmer Betrieb zu gewährleisten auch hinsichtlich der maritimen Ökosystems . Ein autarker und zugleich eingri f fsarmer Lösungsansatz für eine sichere Wasserversorgung der Elektrolyseanlage ist daher von entscheidender Bedeutung für die Energie- und Ökobilanz .

Mit dem Konzept der Erfindung ist eine Wasserversorgung und Nachspeisung sichergestellt , so dass ein Rückgri f f auf Meerwasser minimiert ist , da davon unabhängig ein Wassersammler vorgesehen ist , so dass sal z freies Wasser meerwasserunabhängig aus natürlichen Quellen gesammelt und gewonnen werden kann . Dabei ist der Aufbereitungsaufwand gegenüber Meerwasser deutlich reduziert . Je nach maritimem Aufstellungsort des Of f shore-Elektrolysesystems werden Wassermengen nutzbar gemacht und dem Elektrolyseprozess zugeführt . Der Wassersammler der Wasserversorgungseinrichtung ist dabei entsprechend der benötigten bzw . erntebaren Wassermenge hinsichtlich der Auffangmenge und ef fektiven Sammel fläche ausgestaltet sein .

Das Of f shore-Elektrolysesystem der Erfindung erkennt und überwindet hier vorteilhafterweise erstmals die Nachteile herkömmlicher Wasserversorgungskonzepte bei netzunabhängigen Elektrolysesystemen, die - wie oben geschildert - bedarfsweise sehr großen Energieeinsatz und anlagentechnischen Aufwand für die Meerwasserentsal zung und Meerwasseraufbereitung benötigen . Meerwasserentsal zung ist die Gewinnung von Trinkwasser und Betriebswasser für Industrie- oder Kraftwerksanlagen aus Meerwasser ( Sal zwasser ) durch die Verringerung des Sal zgehaltes . Die Entsal zung kann auf verschiedenen Prozessen beruhen, die gelöste Mineralstof f gehalte aus dem Wasser entfernen . Teilweise fallen dabei verwertbare Nebenprodukte wie Speisesal z an . Der Energieverbrauch bei der mehrstufigen Entspannungsverdampfung von Meerwasser 23-27 kWh/m³, ca . 90 MJ/m³. Bei der Umkehrosmose muss mit ca . 2 kWh bis 4 kWh pro Kubikmeter Trinkwasser gerechnet werden . Das physikalische Minimum sind 1 , 9 kWh pro Kubikmeter . Allerdings sind die Membranen einer Umkehrosmoseanlage nicht wartungs frei . Belagsbildung, hervorgerufen durch mineralische Ablagerungen ( Scaling) , biologische Stof fe (Biofouling) oder kolloidale Partikel , vermindert die Permeation der Wassermoleküle durch die Membranen . Mit dem Konzept eines in das Elektrolysesystem integrierten Wassersammlers gemäß der Erfindung, werden diese Nachteile überwunden . Eventuelle Rückgri f fe auf Meerwasser und der damit einhergehende Anlagen- und Energieaufwand ist erheblich reduziert . Allenfalls für eine Notversorgung kann bei der Wasserversorgungseinrichtung noch zusätzlich eine bedarfsweise Rückgri f fmöglichkeit auf Meerwasser vorgehalten sein . Diese kann dann aber gegenüber herkömmlichen Wasserversorgungssystemen anlagentechnisch deutlich kleiner dimensioniert sein . Insofern ist auch eine hybride Wasserversorgungseinrichtung bei dem Of f shore-Elektrolysesystem möglich . Regelmäßig präferiert ist allerdings der Vorrang der Wassergewinnung über den Wassersammler unabhängig vom Meerwasser . In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Of fshore- Elektrolysesystems weist die Wasserversorgungseinrichtung einen Zwischenspeicher auf , der an der Plattform vorgesehen und/oder innerhalb des Turms der Windkraftanlage eingebracht ist , wobei der Zwischenspeicher an den Wassersammler angeschlossen ist .

Hier können ggf . Pumpen vorgesehen sein, die das im Wassersammler gesammelte Wasser von dem Wassersammler in einen Zwischenspeicher fördern und den Wassersammler dadurch regelmäßig, j e nach Wasserausbeute und Füllstand im Wassersammler, zumindest teilweise entleeren . Auf diese Weise kann ein Wasservorrat angelegt und für weitere Zwecke vorgehalten werden . Durch das Einbringen im Turm - ähnlich einer Zisterne - ist sehr vorteilhaft eine Kavität bereitgestellt , ohne zusätzlichen Bauraum auf der Plattform in Anspruch zu nehmen . Daher kann der Zwischenspeicher recht einfach als eine Kavität innerhalb des Turms der Windkraftanlage selbst gebildet bzw . eingearbeitet sein . Der Zwischenspeicher dadurch vorzugsweise tief unter der Wasseroberfläche innerhalb des Turms eingelassen, um die möglichst konstante und frostfreie Umgebungstemperatur in dem Zwischenspeicher unter dem Wasserspiegel auszunutzen . Zugleich beeinträchtigt das Einbringen eines Zwischenspeichers in einer Kavität tief unten im Inneren des Turms kaum die mechanische Stabilität der Turmkonstruktion und der Gondel mit der Windturbine . Weiterhin wird Bauraum geschaf fen bzw . für den Zwischenspeicher vorteilhaft ausgenutzt , da dieser Raum ansonsten ungenutzt bliebe . Der Zwischenspeicher benötigt bei dieser Ausgestaltung keinerlei Fläche oder Bauraum auf der Plattform selbst , letzterer kann ohne Einschränkung durch die Wasserversorgungseinrichtung für die Elektrolyseanlage und deren Komponenten genutzt werden .

Entsprechende Speichervolumina für einen Zwischenspeicher können auch durch Wassertanks erzielt werden, die unterhalb der Plattform angebracht sind . Diese Wassertanks sind j e nach geographischem Aufstellungsort des Elektrolysesystems thermisch isoliert , um Frostgefahr und Einfrieren des gespeicher- ten Wassers vorzubeugen . Über den Zwischenspeicher ist sichergestellt , dass der Wassersammler regelmäßig entleert bzw . entladen wird und zugleich eine ausreichende Wassermenge zur Deckung eines zumindest mehrtägigen Elektrolysebedarfs in dem Zwischenspeicher vorgehalten wird . Somit können auch Phasen mit geringer Ausbeute an gesammeltem Wasser im Wassersammler sicher überbrückt werden .

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Of fshore- Elektrolysesystems ist eine Reinigungseinrichtung vorgesehen, die über eine Entnahmeleitung an den Zwischenspeicher angeschlossen ist .

Somit ist eine Möglichkeit geschaf fen, das im Wassersammler gesammelte und im Zwischenspeicher gespeicherte Wasser für den Einsatz zweck in der Elektrolyseanlage auf zubereiten und auf zureinigen . Zwar weist das im Wassersammler originär gesammelte Wasser bereits einen sehr geringen oder keinen Sal zgehalt auf . Allerdings können beispielsweise Schwebteilchen, Verunreinigungen sowie noch geringe Mengen und Reste wasserlöslicher Ionen vorhanden sein . Je nach Aufstellungsort des Elektrolysesystems können Kationen wie Natrium- Ionen Na⁺, Kalium- Ionen K+, Magnesium- Ionen Mg²⁺ , Calcium- Ionen Ca²⁺ , Ammonium- Ionen NH₄+ in dem gesammelten Wasser vorhanden sein . Auch können Kationen wie Chlorid- Ionen CI“, Nitrationen NO3“ oder Sul fat- Ionen SO4“ eingetragen bzw . gelöst sein . Durch die bereits gute Reinheit des gesammelten Wassers ist eine geringe Belastung mit diesen Substanzen zu verzeichnen . Daher kann die Reinigungseinrichtung deutlich kleiner ausgelegt und dimensioniert werden als eine vergleichbare Meerwasseraufbereitungsanlage . Auch ist deutlich weniger Energie seitens der Windkraftanlage auf zubringen, da bereits ein guter Reinigungsgrad in dem gesammelten Wasser vorliegt . Mithin kann die in der Of f shore-Windkraf tanlage erzeugte elektrische Leistung überwiegend als Elektrolysestrom verwendet werden und somit der Produktionswirkungsgrad an Wasserstof f aus der Elektrolyse von Wasser in Bezug auf die verfügbare elektrische Energie erhöht . In einer bevorzugten Ausgestaltung des Of f shore-Elektrolyse- systems ist die Reinigungseinrichtung mit einem Speicherbehälter über eine Speicherleitung verbunden, so dass dem Speicherbehälter aufbereitetes Wasser als Edukt-Wasser zuführbar und für den Betrieb der Elektrolyseanlage bereitstellbar ist .

Die Speicherung des gewonnenen und in der Reinigungseinrichtung aufbereiteten Wasser erfolgt in einem Speicherbehälter . Dieser ist der Reinigungseinrichtung nachgeschaltet . Die Einspeicherung von gereinigtem Edukt-Wasser erfolgt über eine Speicherleitung . Mittels des Speicherbehälters ist aufbereitetes vollentsal ztes Edukt-Wasser bereitgehalten, so dass eine Einspeisung und Nachspeisung von Edukt-Wasser in den Prozesswasserkreislauf der Elektrolyseanlage bedarfsweise möglich ist .

Hierzu ist in bevorzugter Ausgestaltung des Of fshore- Elektrolysesystems der Speicherbehälter über eine Einspeiseleitung an die Elektrolyseanlage angeschlossen .

Für die Einspeisung, Nachspeisung oder Prozesswassernachführung von konfektioniertem Edukt-Wasser in den Prozesswasser- Kreislauf ist eine Förderpumpe in der Einspeiseleitung vorgesehen . Zusätzlich kann ein steuerbares Dosierventil in die Einspeiseleitung geschaltet sein, so dass eine genaue Zudosierung und Ausgleich von Edukt-Wasser entsprechend dem Umsatz und Wasserverbrauch im Elektrolyseprozess bewirkt ist . Die Einspeisung von Edukt-Wasser kann bei einem Elektrolyseur für die Wasserelektrolyse j e nach Anlagenprinzip sowohl anodenseitig als auch kathodenseitig erfolgen .

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Of fshore- Elektrolysesystems weist der Wassersammler einen Niederschlagswassersammler auf , der für eine Regenwassersammlung eingerichtet ist . Auf diese Weise ist als Niederschlagswasser z . B . Regenwasser gewinnbar, das über einen entsprechend dimensionierten Regenwassersammler mit einer großen Sammel fläche aufgefangen wird .

Vorzugsweise ist weist der Niederschlagswassersammler ein Becken auf , wobei das Becken auf einer Plattform befestigt und/oder auf dem Meer schwimmend angeordnet ist .

Das Becken ist ein Auf f angbecken und kann auf einer separaten Of f shore-Platt f orm angeordnet sein, die benachbart zu der Plattform des Of f shore-Elektrolysesystems angeordnet und als Versorgungsplattform dient . Diese Versorgungsplattform kann neben dem Becken auch einen Zwischenspeicher für das Niederschlagswasser und ggf . weiteren Elementen der Wasserversorgungseinrichtung aufnehmen . Der Zwischenspeicher kann vorzugsweise unter der Plattform hängend mit einem Zwischenspeichervolumen von beispielsweise 100-500m³ angebracht sein . Mittels des Zwischenspeichers kann das in dem Auf f angbecken gesammelte Regenwasser zwischengespeichert werden und für einen nachfolgenden Reinigungsschritt vorgehalten . Das Becken weist eine große Sammel fläche von zumindest mehreren 100m² auf , beispielsweise 500m²-1000m² . Es können auch mehrere Auffangbecken vorgesehen sein, um die Ausbeute zu erhöhen . Der Niederschlagswassersammler ist flexibel skalierbar, um einen prognosti zierten Wasserbedarf zu decken . Bei einer angenommenen j ährlichen durchschnittlichen Niederschlagsmenge von 500 1/m² können somit 50m³ Wasser pro 100m² Sammel fläche des Beckens gesammelt werden . Dabei ist es auch möglich, dass in einem großen Of f shore-Elektrolysesystem mehrere auf einer j eweiligen Plattform angeordnete Elektrolyseanlagen von einer zentralen Wasserversorgungseinrichtung mit Wassersammler versorgt werden .

In besonders bevorzugter Ausgestaltung des Of fshore- Elektrolysesystems weist der Wassersammler eine Kondensationseinrichtung auf , die für eine Kondensation feuchtigkeitsgesättigter Luft eingerichtet ist . Hierdurch ist alternativ oder zusätzlich zu dem Niederschlagswassersammler eine Möglichkeit geschaf fen Wasser aus der Kondensation feuchtebehafteter Umgebungsluft zu gewinnen . Die Feuchtigkeit kondensiert aus und kann als Wasser gesammelt werden . Dabei ist es möglich, Feuchtigkeit und damit Wasser aus der Umgebungsluft des Of f shore-Elektrolysesystems durch Kondensation zu gewinnen oder auch innerhalb der Anlagenkomponenten . Wiederum ist es möglich, die Kondensationseinrichtung auf der die Elektrolyseanlage tragenden Plattform zu integrieren oder auf einer eigens dafür vorgehaltenen

Of f shore-Platt f orm als Versorgungsplattform zu errichten . Die Versorgungsplattform ist dann Teil des Wasserversorgungseinrichtung . In dem Kondensator wird feuchtigkeitsgesättigte Luft abgekühlt und infolge Unterschreitung des Taupunkts der gas förmige Wasserdampf zu Tröpfchen umgesetzt .

Vorzugsweise weist das Of f shore-Elektrolysesystem eine einen Nebelkollektor aufweisende Kondensationseinrichtung auf , die ein feinmaschiges , groß flächiges Netz als Kollektor aufweist , insbesondere Nylon oder Polypropylen-Netze .

Der Begri f f Nebelkondensation bezeichnet auch die Wassergewinnung durch die geförderte Kondensation von Wasserdampf mittels Nebelkollektoren ( Fog Collectors ) . Forschung und Erfahrung beim Einsatz von Nebelkollektoren haben deren Wirksamkeit zur Wasserausbeute deutlich gesteigert , so dass ein Einsatz als Wassersammler in dem Wasserversorgungseinrichtung der Of f shore-Elektrolyseanlage zweckmäßig und vorteilhaft ist . Tritt beispielsweise kalte Meeresströmung vor einer Küste an die Meeresoberfläche , dann kondensiert dort die bei auflandigen Winden transportierte Luftfeuchtigkeit aufgrund der Taupunkt-Unterschreitung und wird zu Wassernebel . Für die Wirksamkeit der Nebelausbeute eingesetzten Nebelkollektoren zur Aufnahme der Wassertropfen aus dem Nebel ist die Wahl der verwendeten Materialien, der Maschenweiten und Gewebeformen (Noppen- , Poren- und Wabenstrukturen) von Bedeutung . Diese ist flexibel skalierbar und in der Dimension über die ef fek- tive Fläche und Ausbeute anpassbar an den Wasserbedarf der Elektrolyseanlage .

In alternativer oder zusätzlicher Ausgestaltung des Of fshore- Elektrolysesystems weist die Kondensationseinrichtung einen Kondensationstrockner auf , wobei ein Kondensationstrockner innerhalb des Turms oder der Gondel der Windkraftanlage angeordnet ist .

Gegenüber dem Nebelkollektor als Flächensammler kann eine lokale Gewinnung und Abscheidung von Feuchtigkeit aus der unmittelbaren Betriebsumgebung von Funktionselementen des Of fs- hore-Elektrolysesystems sehr zweckmäßig und vorteilhaft sein . Einerseits sind so die aktiven Komponenten der Windkraftanlage , etwa die elektrischen Komponenten in der Gondel oder im Turm vor Feuchtigkeitsschäden oder Kurzschlüssen, gut geschützt . Gleichermaßen ist für den Elektrolyseur, die Elektrolysezellen und die elektrischen Versorgungssysteme der Elektrolyseanlage Feuchtigkeit zu vermeiden, um Korrosionsschäden oder Schäden an den elektrischen Bauteilen zu vermeiden und möglichst zu unterbinden . Daher ist eine trockene Betriebsumgebung, d . h . trockene Umgebungsluft in einem Betriebsraum oder einem Gehäuse , besonders wichtig für den dauerhaften Funktionserhalt . Andererseits ist durch die Kondensationstrockner Wasser gewinnbar, das praktisch sal z frei ist . Die Kondensationstrocknung ist ein Luftentfeuchtungsverfahren, das häufig im industriellen und auch privaten Bereich angewandt wird, zum Beispiel im Wäschetrockner oder klassischen Bautrockner . Dazu wird feuchte Luft mittels Ventilatoren über Kühlrippen/-lamellen geführt , deren Temperatur unter dem Taupunkt der Luft liegt . Dabei kondensiert das Wasser und sammelt sich als Kondenswasser an der kalten Oberfläche , welches in einem separaten Behälter gesammelt wird . Die abgekühlte und entfeuchtete Luft wird anschließend erwärmt und als Trockenluft abgegeben . Von Vorteil ist , dass der Kondensationstrockner vorliegend lokal aufgestellt und in die Wasserversorgungseinrichtung integriert ist . Die Versorgung des Kondensationstrockners erfolgt in einfacher Weise über erzeugte elektrische Energie aus der Windkraftanlage .

In besonders bevorzugter Ausgestaltung des Of fshore- Elektrolysesystems weist die Elektrolyseanlage einen in einem Container angeordneten Elektrolyseur und eine Kondensationseinrichtung auf , so dass im Container eine Kondensation von Feuchtigkeit herbei führbar ist und trockene Betriebsbedingungen bewirkt sind .

Dadurch ist in vorteilhafter Weise eine definierte trockene Betriebsumgebung und durch den Container ein Betriebsraum für den Elektrolyseur geschaf fen . Durch die Containerbauweise ist der Elektrolyseur vor schädigenden Umwelteinflüssen, insbesondere Sal zeintrag geschützt . Dies ist eine für den Of fsho- re-Betrieb eines Elektrolyseurs bevorzugte Aufstellung, wobei der Container auf der Plattform angeordnet ist . Die Kondensationseinrichtung innerhalb des Containers ist dergestalt eingestellt , dass die relative Luftfeuchtigkeit stets kleiner als 40% vorzugsweise sogar kleiner als 30% , typischerweise zwischen 15-25 % beträgt . Die betriebs zulässige Luftfeuchtigkeit ist dadurch beachtet und entsprechend auf einen minimalen Wert reduziert . Die Nutzung des Kondenswassers aus der Kondensationseinrichtung erfolgt , wie oben beschrieben, in analoger Weise über eine Zwischenspeicherung in dem Zwischenspeicher, einer Reinigung in der Reinigungseinrichtung und einer Einspeicherung in den Speicherbehälter, so dass aufbereitetes Edukt-Wasser guter Qualität für die Elektrolysezwecke in dem Speicherbehälter zur Verfügung steht .

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Of fshore- Elektrolysesystems ist ein Inselnetz ohne Anschluss an ein elektrisches Versorgungsnet zt realisiert .

Mit dieser Ausgestaltung des Of f shore-Elektrolysesystems ist ein netzunabhängiger Betrieb erreicht , der von besonderem wirtschaftlichem Interesse ist . Dabei wird der Wasserstof f in einem Wasserelektrolyseprozess direkt am Ort der Energiegewinnung produziert , mithin also werden Elektrolyseanlagen Of fshore direkt an Of fshore- Windkraf tanlagen oder in deren unmittelbarer Nähe platziert Hierdurch ist die Windkraftanlage mit der Elektrolyseanlage zu einem autarken, d . h . praktisch netzunabhängigen Elektrolysesystem zusammengeschaltet und speziell für einen Of f shore- Inselbetrieb ausgestattet . Hil fweise können zur Überbrückung von Windflauten Batterieagregate vorgesehen sein, um einen mininalen Betrieb systemrelevanter Funktionen der Elektrolyseanlage auf recht zuerhalten .

In weiter bevorzugter Ausgestaltung des Of fshore- Elektrolysesystems weist die Elektrolyseanlage einen Elektrolyseur für die Wasserelektrolyse auf , der auf einer Proton Exchange Membrane ( PEM) -Elektrolyse oder auf einer alkalischen Elektrolyse basiert und mit Wasserstof f (H₂ ) als Produktgas .

Im Falle einer PEM-Elektrolyse ist vollentsal ztes Wasser als Edukt über die Integration der Wasserversorgungseinrichtung in das Of f shore-Elektrolysesystem meerwasserunabhängig gewinnbar . Auch für die alkalische Elektrolyse ist hochreines Wasser als Lösungsmittel für das Hydroxid beim Laugenansatz erforderlich . Zumeist findet bei der alkalischen Elektrolyse Kaliumhydroxid KOH in wässriger Lösung als Kalilauge gebildet Verwendung als Edukt-Flüssigkeit .

Damit sind bedarfsweise auch Kombinationen unterschiedlicher Elektrolyseure für die Wasserelektrolyse in dem Of fshore- Elektrolysesystem möglich und j e nach Auslastungskonzept anpassbar . Während alkalische Elektrolyseure im besten Fall quasistationär bei Nennleistung zu betreiben sind, sind PEM- Elektrolyseure teillast fähig, v . a . auch bei tieferer Teillast unter 30% der Nennleistung . Als Produktgase werden in beiden Technologien Wasserstof f und Sauerstof f erzeugt . Der Wasserstof f ist neben dem bestimmungsgemäßen Abtransport über eine Pipeline und Weiterverwendung an Land teilweise in lokalen Wasserstof f speichern temporär auf der Plattform gespeichert . Ein weiterer Aspekt der Erfindung betri f ft ein Verfahren zum Betrieb eines entsprechenden Of f shore-Elektrolysesystems .

Dabei wird einem Wassersammler meerwasserunabhängig Wasser in einer Qualität gewonnen, bei der das gewonnene Wasser keine oder nur sehr geringe Mengen von Sal zen aufweist .

Das Verfahren ist vorteilhaft autark durchführbar, d . h . ohne einen substanziellen Rückgri f f auf Meerwasser und Betrieb einer großen Meerwasserentsal zungsanlage , die zur Gewinnung von Edukt-Wasser üblicherweise erforderlich ist .

In vorteilhafter Ausgestaltung des Verfahrens wird Niederschlagswasser gesammelt und/oder Wasser aus einer Kondensation von feuchtigkeitsgesättigter Luft gewonnen .

Somit ist eine besonders ef fi ziente Methode angegeben, um Edukt-Wasser ausreichender Menge und Qualität zu gewinnen . Das Niederschlagswasser fällt bei einer Aufstellung in der Of f shore-Umgebung regelmäßig an, j e nach Prognose mit mehreren 100 1/m² und Jahr . Diese Niederschlagsmenge ist vorteilhaft nutzbar . Ergänzend oder alternativ zur Niederschlagswassernutzung sieht das Verfahren eine Nutzung der Kondensation von Feuchtigkeit aus der Umgebungsluft außerhalb und innerhalb des Elektrolysesystems vor . Das anfallende und gewonnene Kondenswasser ist von guter Qualität und kann genutzt werden .

Hierzu ist vorzugsweise bei dem Verfahren vorgesehen, bei dem das gewonnene Wasser aufbereitet und aufbereitetes Wasser als Edukt-Wasser der Elektrolyseanlage zugeführt wird .

Dadurch wird eine bedarfsweise und bedarfsgerechte Nachspeisung von aufbereitetem Edukt-Wasser erzielt . Eine aktuelle Nachspeisung kann geregelt durchgeführt werden, so dass nach Elektrolyseleistung und damit einhergehendem Wasserverbrauch ein Füllstand in dem Elektrolyseur aufrechterhalten wird, so dass die Elektrolysezellen mit Edukt-Wasser versorgt werden . Hierzu ist eine Steuer- und Regeleinrichtung vorgesehen sowie entsprechende Förderpumpen und Regelarmaturen .

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

FIG 2 in schematischer Darstellung Elemente des Prozesses der meerwasserunabhängigen Wassergewinnung anhand von Funktionselementen der Wasserversorgungseinrichtung;

FIG 3 eine schematische Seitenansicht eines Of fshore- Elektrolysesystems mit Wasserversorgungseinrichtung;

FIG 4 ein Of f shore-Elektrolysesystem mit Niederschlagswassersammler ;

FIG 5 eine als Nebelkollektor ausgestattete Kondensationseinrichtung .

Gleiche Bezugs zeichen haben in den Figuren die gleiche Bedeutung .

In FIG 1 ist ein Of f shore-Elektrolysesystem 100 dargestellt . Das Of f shore-Elektrolysesystem 100 umfasst eine Elektrolyseanlage 5 und eine Windkraftanlage 1 , die einen Turm 19 und einen Turbinenrotor aufweist , wie im oberen rechten Teil von FIG 1 abgebildet ist . Im unteren Bereich des Turms 19 ist an dem Turm 19 eine Plattform 3 oberhalb des Meeresspiegels 25 ( siehe FIG 4 und FIG 5 ) befestigt , die speziell dafür konzipiert und ausgelegt ist , verschiedene Anlagenteile für den vorgesehenen Betrieb des Of f shore-Elektrolysesystems 100 aufzunehmen . Diese Anlagenteile sind im unteren Teil der FIG 1 in vergrößerter Darstellung beispielhaft gezeigt :

Auf der Plattform 3 ist eine Elektrolyseanlage 5 aufgestellt und systemisch mit der Windkraftanlage 1 zu dem Of fshore- Elektrolysesystem 100 verbunden . Auf der Plattform 3 sind hierzu insbesondere Container 9 aufgestellt , in denen - nicht näher dargestellte - Elektrolyseelemente wie etwa einzelne Elektrolyseure aufgenommen sind, so dass ein Schutz besonders empfindlicher Funktionskomponenten der Elektrolyseanlage 5 vor Witterungseinflüssen erzielt ist . Einzelne der auf der Plattform 3 auf gestellten Container 9 umfassen Steuerungseinrichtungen 27 oder so genannte „Balance-of-Plant"-Elemente und nehmen diese schützend auf . Hierbei handelt es sich um ausgewählte Container 9 , die üblicherweise für die alleinige Aufnahme und den Betrieb dieser Steuerungseinrichtungen 27 und ggf . weiteren Hil fssystemen der Elektrolyseanlage 5 Vorbehalten sind . Hingegen sind die Elektrolyseure für die elektrochemische Stof fumwandlung in eigens dafür vorgesehenen Containern 9 angeordnet . Weitere in den Containern 9 untergebrachte Komponenten oder Anlagenteile können auch Vorratsbehälter für Elektrolytlösung zum Betrieb der Elektrolyseure , oder insbesondere vollentsal ztes Wasser oder Kalilauge bei einer PEM oder wahlweise alkalischen Wasserelektrolyse der Elektrolyseure , oder dergleichen betref fen .

Die Windkraftanlage 1 hat vorzugsweise vorliegend keine Netzanbindung oder Netzkopplung, sondern versorgt in dem autarken Of f shore-Elektrolysesystem 100 mit der auf genommenen Windenergie direkt die beschriebene Elektrolyseanlage 5 , die zur Herstellung von vorzugsweise grünem Wasserstof f aus der Wasserelektrolyse eingerichtet ist . Mithin ist das Of fshore- Elektrolysesystem 100 für einen netzunabhängigen Inselbetrieb eingerichtet und für einen autarken Einsatz in küstenferneren Regionen ausgestattet . Bei der Windkraftanlage 1 handelt es sich mithin um eine Of f shore-Windturbine .

Die Strategie der Bereitstellung der Elektrolyseanlage 5 über eine Anzahl von Containern 9 , vorzugsweise ISO-Container, gewährleistet vorteilhaft einen einfachen Wartungs- und Instandsetzungsprozess , und schützt die Anlagenteile gleichzeitig vor Klima- und Wettereinflüssen sowie vor Korrosion und schadhaften mechanischen Einflüssen während des Betriebs . Für den Betrieb des Of f shore-Elektrolysesystems 100 mit einer Wasserelektrolyse wird vollentsal ztes Wasser, so genanntes VE-Wasser, in ausreichender Menge und hoher Reinheit benötigt , dass aufgrund des Verbrauchs permanent in den Prozesswasserkreislauf der Elektrolyseanlage 5 nachgeführt werden muss . Auf einer solchen Of f shore-Elektrolyseanlage 100 steht üblicherweise nur sal zhaltiges Meerwasser zur Verfügung . Um das aus dem Meer entnommene Wasser einsetzen zu können, muss das Meerwasser allerdings entsal zt werden . Dazu stehen eine Auswahl an Entsal zungsverfahren, wie z . B . Reverse Osmose oder Vakuumdestillation zur Verfügung, welche j edoch alle in erheblichem Maße elektrische Energie benötigen . Der Einsatz von elektrischer Energie für die Entsal zung verringert den Wirkungsgrad der Gesamtanlage signi fikant und sollte daher auf ein Minimum reduziert werden .

Diesem Nachteil wird durch die Erfindung mit einer Wasserversorgungseinrichtung 7 begegnet , wie sie in das Elektrolysesystem 100 vorteilhaft integriert bzw . an diese angeschlossen ist . So ist es möglich - wie in FIG 1 lediglich schematisch angedeutet , dass die Wasserversorgungseinrichtung 7 zumindest teilweise in einem ausgewählten Container 9 des Of fshore- Elektrolysesystems 100 untergebracht ist oder dass ein Container 9 bestimmte Anlagenteile oder Funktionselemente der Wasserversorgungseinrichtung 7 aufweist . Die Wasserversorgungseinrichtung 7 ist hierbei an die Elektrolyseanlage 5 angekoppelt und derart ausgestaltet , dass mittels der Wasserversorgungseinrichtung 7 der Elektrolyseanlage 5 Wasser hoher Qualität unabhängig von einer Meerwassernutzung zuführbar ist , so dass dennoch ein kontinuierlicher Elektrolysebetrieb bewirkt ist . Hierbei wird auf Niederschlagswasser, insbesondere Regenwasser, und alternativ oder zusätzlich auf eine Kondensationswassergewinnung zurückgegri f fen . Dieses Wasser wird am Aufstellungsort des Of f shore-Elektrolysesystems 100 oder in dessen unmittelbarer Umgebung gesammelt bzw . gewonnen und aufbereitet . Der Prozess der meerwasserunabhängigen Wassergewinnung und die Funktionselemente der Wasserversorgungseinrichtung 7 werden beispielhaft im Folgenden anhand FIG 2 in einem Flussdiagramm erläutert . Die Wasserversorgungseinrichtung 7 weist einen Wassersammler 13 auf , der für die Sammlung von Niederschlagswasser oder Kondensationswasser aus der Luft L entsprechend eingerichtet ist . Der Wassersammler 13 ist als ein Niederschlagswassersammler 41 oder als eine Kondensationseinrichtung 43 ausgestaltet , wobei auch Kombinationen dieser Aus führungen möglich sind . Dem Wassersammler 13 ist ein ausreichend dimensionierter Zwischenspeicher 15 nachgeschaltet , in welchem gesammeltes Wasser H₂0 einleitbar und speicherbar ist . Dadurch ist ein Wasservorrat geschaf fen und der Wassersammler 13 kann kontinuierlich oder turnusgemäß entleert werden . Hierzu ist der Wassersammler 13 mit dem Zwischenspeicher 15 verbunden und es sind erforderlichenfalls Fördereinrichtungen, wie etwa Pumpen oder Ventile , vorgesehen, so dass das gesammelte Wasser H₂0 in den Zwischenspeicher 15 gefördert werden kann . Falls die Aufstellung des Wassersammlers 13 aufgrund einer eingestellten Höhendi f ferenz es zulässt , kann auch eine selbstständige Einleitung von Wasser H₂0 aus dem Wassersammler 13 in den Zwischenspeicher 15 bewirkt werden . Dem Zwischenspeicher 15 nachgeschaltet ist über eine Entnahmeleitung 17 eine Reinigungseinrichtung 11 angeordnet . Die Reinigungseinrichtung 11 weist Elemente und Strukturen für eine Wasserreinigung und Wasseraufbereitung auf , wie etwa Filter und Entsal zungseinrichtungen . Auf diese Weise können Verunreinigungen in dem gesammelten Wasser H₂0 entfernt sowie eine Entfernung von Restsal zen herbeigeführt werden . Aufgrund der bereits guten Qualität und Reinheit des aufgrund Niederschlags oder Kondensation gesammelten Wassers H₂0 sind die Entsal zungseinrichtungen deutlich kleiner dimensioniert als bei einer Meerwasserentsal zung . Der Entsal zungsaufwand ist erheblich geringer als bei einer Meerwasserentsal zung und der Anlagenaufwand für die Installation sowie der Energiebedarf für den Betrieb der Reinigungseinrichtung 11 ist entsprechend reduziert . Diese Ersparnis steht unmittelbar als elektrische Leistung für Elektrolysezwecke zur Verfügung . Die Reinigungs- einrichtung 39 ist über eine Speicherleitung 21 mit einem Speicherbehälter 39 verbunden . In dem Speicherbehälter 39 kann vollentsal ztes Wasser H₂0, so genanntes VE-Wasser oder demineralisiertes Wasser, eingespeichert und bevorratet werden . Dieses Wasser H₂0 weist die geforderte hohe Qualität und Reinheit auf , um als Edukt-Wasser 23 für eine Wasserelektrolyse in dem Speicherbehälter 39 bereitgestellt zu werden . Im Betrieb der Elektrolyseanlage 5 wird das aus Niederschlagswasser oder Kondensationswasser gewonnene Edukt-Wasser 23 über eine Einspeiseleitung 37 der Elektrolyseanlage 5 zugeführt und in einen Elektrolyseur eingeleitet . Eine Membran 45 oder ein Diaphragma trennen den Anodenraum 47 von dem Katho- denraum 49 . Somit kann das Edukt-Wasser 23 elektrochemisch aufgespalten werden, so dass anodenseitig Sauerstof f 0₂ und kathodenseitig Wasserstof f H₂ gebildet wird . Der Wasserstof f H₂ ist das interessante Produktgas aus der Elektrolyse . Er wird verdichtet , ggf . zwischengespeichert und über Pipelines oder Transportschi f fe an Land gebracht .

FIG 3 zeigt eine schematische Seitenansicht des Of fshore- Elektrolysesystems 100 mit einer Windkraftanlage 1 und mit einer Plattform 3 und mit einer auf der Plattform 3 angeordneten Elektrolyseanlage 5 . Die Plattform 3 ist am Turm 19 oberhalb des Meeresspiegels 25 in einem Überwasserbereich 29 befestigt . Die Elektrolyseanlage 5 weist eine Anzahl von Containern 9 auf , mit j eweils zumindest einem darin angeordneten Elektrolyseur . Das hier gezeigte Of f shore-Elektrolysesystem 100 ist sehr vorteilhaft mit einer integrierten Wasserversorgungseinrichtung 7 ausgestattet , die hier nur ausschnittsweise gezeigt ist . Für Details der Funktionselemente wird auf FIG 2 verwiesen . Hierbei weist die Wasserversorgungseinrichtung 7 einen Zwischenspeicher 15 auf , so dass aus dem Wassersammler 13 ( siehe FIG 2 ) gewonnenes Wasser H₂O aus Niederschlägen oder Kondensation zunächst in einem Zwischenspeicher 15 speicherbar und bedarfsweise als Wasser H₂O nach einer Aufbereitung zu Elektrolysezwecken der Elektrolyseanlage 5 zuführbar und dort elektrochemisch umsetzbar ist . Eine Kondensationseinrichtung 43 ist j eweils in der Gondel der Wind- kraftanlage 1 und zumindest in einem Container 9 angeordnet . Die Kondensationseinrichtung 43 ist als Kondensationstrockner ausgeführt . Es ist auch möglich, dass eine Kondensationseinrichtung 43 im Turm 19 der Windkraftanlage 1 angeordnet ist . Nach der Reinigung und Wasseraufbereitung wird das vollentsal zte Wasser H₂0 in eigens dafür vorgesehene und konzipierte Speicherbehälter 39 überführt und dort für den Elektrolyseprozess als Edukt-Wasser 23 hoher Qualität vorgehalten . Die Wasserversorgungseinrichtung 7 ist mit einzelnen Elementen auf der Plattform 3 oder im Turm 19 angeordnet und kann dabei auch in einem der Container 9 zusammen mit Einrichtungen der Elektrolyseanlage 5 , wie einem Elektrolyseur, untergebracht sein . Der Turm 19 erstreckt sich von dem Überwasserbereich 29 in einen Unterwasserbereich 31 und ist fest in dem Meeresgrund 35 mittels eines Fundaments 33 verankert .

Der Zwischenspeicher 15 und der Speicherbehälter 39 sind behälterförmig ausgeführt , beispielsweise in Form von Röhren aus ausgekleideten Metall- oder di f fusionsarmem Kunststof fmaterial . Der Zwischenspeicher 15 und ein Speicherbehälter 39 mit Edukt-Wasser 23 ist dabei unterhalb der Plattform 3 hängend befestigt , so dass kein Bauraum auf der Plattform 3 selbst benötigt wird . Weiterhin ist eine Kavität innerhalb des Turms 19 der Windkraftanlage 1 ausgebildet - vorliegend tief unter dem Meeresspiegel 25 innerhalb des Fundaments 33 eingearbeitet - und weist ein entsprechendes Speichervolumen für das hochwertige Edukt-Wasser 23 auf . In diese Kavität ist ein druckfester und wasser- und di f fusionsdichter Speicherbehälter 39 eingebracht . Somit kann im laufenden Betrieb des Of f shore-Elektrolysesystems 100 hochreines Edukt-Wasser 23 in den Speicherbehälter 39 eingespeichert und der Speicherbehälter mit Edukt-Wasser 23 beladen werden . Die Einspeicherung in den Speicherbehälter 39 erfolgt über die Speicherleitung 21 oder eine entsprechende - nicht näher dargestellte - Abzweigleitung ausgangsseitig der Reinigungseinrichtung 11 ( siehe auch FIG 2 ) . Zugleich ist an der Plattform 3 eine Anschlusseinheit an eine Pipeline 51 zum Abtransport von Wasserstof f H₂ als Produktgas aus der Elektrolyse angebracht , die an eine Produktgasleitung angeschlossen oder darüber versorgt ist . Die Pipeline 51 führt von der Plattform 3 weg, taucht dabei in den Unterwasserbereich 31 ein und ist über den Meeresgrund 35 bis zum Festland geführt . Am Festland kann das Produktgas Wasserstof f H₂ übernommen und weiterverarbeitet werden . In einem Normalbetrieb des Elektrolysesystems 100 ist somit Produktgas - vorliegend Wasserstof f H₂ - in die Pipeline 51 unter einem Pipelinedruck einspeisbar und an das Festland transportierbar . Die Entnahme von Edukt-Wasser 23 aus dem Speicherbehälter 39 erfolgt über eine Entnahmeleitung 37 , die an die Elektrolyseanlage 5 angeschlossen ist und den Elektrolyseur mit dem vollentsal zten Wasser H₂O versorgt , das aus Niederschlagswasser oder aus Kondenswasser meerwasserunabhängig gewonnen wurde .

In FIG 4 ist in vereinfachter Darstellung ein Of fshore- Elektrolysesystem 100 gezeigt , dessen Wassersammler 13 als Niederschlagswassersammler 41 ausgestaltet und an die Plattform 3 über eine Wasserleitung 55 angeschlossen ist . Ein Niederschlagswassersammler 41 ist - in der FIG 4 links von der Plattform 3 dargestellt - als ein schwimmfähiges Becken 53 mit einer großen kreis förmigen Sammeloberfläche ausgeführt . Becken 53 ist auf der Wasseroberfläche in Höhe des Meeresspiegels 25 schwimmend angeordnet und am Meeresgrund 35 über Seile orts fest verankert , wobei für j edes Seil ein Fundament 33 in den Meeresgrund 35 eingebracht ist . Uber eine Wasserleitung 55 kann das im Becken 53 gesammelte Niederschlagswasser in einen Zwischenspeicher 15 an der Plattform 3 oder in einen anderweitig angeordneten Zwischenspeicher 15 gepumpt werden .

Weiterhin ist es möglich einen Niederschlagswassersammler 41 auf einer eigens dafür eingerichteten Versorgungsplattform 57 of fshore anzuordnen und fest zu installieren . Auf der Versorgungsplattform 57 oder unter der Versorgungsplattform hängend kann dann ein Zwischenspeicher 15 angebracht sein und ggf . weitere Funktionselemente oder Hil fssysteme für die Wasserversorgungseinrichtung 7 . Dies ist beispielhaft in der FIG 4 rechts von der Plattform 3 dargestellt . Wiederum ist eine Wasserleitung 55 an die Plattform 3 geführt , so dass das im Wassersammler 13 gesammelte Niederschlagswasser zu einem Anschluss an der Plattform 3 geleitet werden kann, insbesondere zur weiteren Behandlung in einer eine Wasseraufbereitung .

In einem weiteren Aus führungsbeispiel zeigt FIG 5 in vereinfachter Darstellung als Nebelkollektor ausgestaltete Kondensationseinrichtung 43 . Im Gegensatz zu der in FIG 3 diskutierten Aus führung einer Kondensationseinrichtung 43 mit einem elektrisch betriebenen Kondensationstrockner , der lokal in einem Einsatzraum positionierbar ist , ist der Nebelkollektor groß flächig aufgespannt und permanent der maritimen Umgebungsluft L draußen ausgesetzt . Aufgrund des größeren Platzbedarfs der Kollektorf lache im Vergleich zu einem Kondensationstrockner, ist eine Aufstellung einer Mehrzahl von Nebelkollektoren auf einer eigens bereitgestellten Versorgungsplattform 57 zu bevorzugen, wie in FIG 5 dargestellt . Ergänzend kann - in der FIG 5 nicht näher gezeigt - ein Nebelkollektor auch auf einer die Container 9 mit der Elektrolyseanlage 5 tragenden Plattform 3 aufgespannt sein, um den noch verfügbaren Bauraum für eine als Nebenkollektor ausgeführte Kondensationseinrichtung 43 weitestgehend zur Gewinnung von Kondenswasser aus der Umgebungsluft L aus zunutzen .

Ein Nebelkollektor weist im unteren Bereich eine j eweilige Drainageleitung 59 auf , so dass die am Nebelkollektor aus der strömenden Luft L auskondensierenden Wassertropfen sich selbstständig aufgrund des Gefälles im unteren Bereich in der Drainageleitung 59 sammeln . Die Drainageleitung 59 eines j eden Nebelkollektors mündet in eine zentrale Sammelleitung 61 für das gesammelte Kondensat . Die Sammelleitung 61 ist an einen Zwischenspeicher 15 angeschlossen, der an der Versorgungsplattform 57 angebracht ist . Aus dem Zwischenspeicher 15 führt eine Wasserleitung 55 heraus , die an die eine - nicht näher dargestellte - Reinigungseinrichtung 11 mündet . Die Reinigungseinrichtung 11 für das kondensierte Wasser H₂0 kann beispielsweise in einem der Container 9 auf der die Elektro- lyseanlage 5 tragenden Plattform 3 untergebracht sein oder in einem der Container 9 , der die Einrichtungen für die Balance- of-plant 27 und weitere Steuerungseinrichtungen behaust (vgl . auch FIG 1 ) .

Zum Einsatz auf der Versorgungsplattform 57 können groß flächige Nebelkollektoren aus Nylon- oder Polypropylen-Netzen mit 0 , 1 mm feinen Fäden und einer Maschenweite von 1 mm, die durchschnittliche Nebelausbeuten in maritimen Regionen von 3- 9 1/ (m² - d) und darüber hinaus erbringen können . Die ergiebigste Nebelausbeute findet im Frühj ahr und Sommer statt . Die Technologie zeichnet sich durch eine einfache Aus führung, Benutzung und Wartung aus , wodurch die Kosten der Installation und Wartung begrenzt sind . Zur Kondensation geeignete Materialien der Nebelkollektoren sind Textilien mit unterschiedlichen Maschenweiten und Gewebeformen, z . B . Noppen- , Poren- und Wabenstrukturen . Bei der Art der Benetzung durch die Nebeltropfen kann dabei unterschieden werden zwischen wasserabstoßend, d . h . hydrophob mit großem Kontaktwinkel des Wassertropfens zum Gewebe ( Lotusef fekt ) und wasseranziehend, d . h . hydrophil mit einer hohen Befeuchtung und einem kleinen Kontaktwinkel zum Gewebe . Der physikalische Vorgang der Wasseraufnahme und der Wiederabgabe wird wie folgt erklärt : Kleine Nebeltropfen lagern sich am Gewebe an und vergrößern sich durch die ständig nachkommenden Nebeltropfen vergrößern, bis sie Größen erreichen, die zum Abfließen der Wassertropfen führen .

Claims

Patentansprüche

1. Of f shore-Elektrolysesystem (100) umfassend eine Windkraftanlage (1) mit einer Plattform (3) und mit einer auf der Plattform (3) angeordneten Elektrolyseanlage (5) , welche zur Versorgung mit Elektrolysestrom an die Windkraftanlage (1) angeschlossen ist, und weiter umfassend eine an die Elektrolyseanlage (5) angeschlossene Wasserversorgungseinrichtung (7) , die einen Wassersammler (13) aufweist, der derart ausgestaltet ist, dass meerwasserunabhängig Wasser mit keinen oder nur sehr geringen Mengen von Salzen gewinnbar ist, das als Edukt-Wasser zum Betrieb der Elektrolyseanlage (5) verwendbar ist .

2. Of f shore-Elektrolysesystem (100) nach Anspruch 1, bei der die Wasserversorgungseinrichtung einen Zwischenspeicher (15) aufweist, der an der Plattform (3) vorgesehen und/oder innerhalb des Turms (19) der Windkraftanlage (1) eingebracht ist, wobei der Zwischenspeicher (15) an den Wassersammler (13) angeschlossen ist.

3. Of f shore-Elektrolysesystem (100) nach Anspruch 2, bei der eine Reinigungseinrichtung (11) vorgesehen ist, die über eine Entnahmeleitung (17) an den Zwischenspeicher (15) angeschlossen ist.

4. Of f shore-Elektrolysesystem (100) nach Anspruch 3, bei der die Reinigungseinrichtung (11) mit einem Speicherbehälter (39) über eine Speicherleitung (21) verbunden ist, so dass dem Speicherbehälter (39) aufbereitetes Wasser als Edukt- Wasser (23) zuführbar und für den Betrieb der Elektrolyseanlage (5) bereitstellbar ist.

5. Of f shore-Elektrolysesystem (100) nach Anspruch 4, bei der der Speicherbehälter (39) über eine Einspeiseleitung (37) an die Elektrolyseanlage (5) angeschlossen ist.

6. Of f shore-Elektrolysesystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Wassersammler (13) einen Niederschlagswassersammler (41) aufweist, der für eine Regenwassersammlung eingerichtet ist.

7. Of f shore-Elektrolysesystem (100) nach Anspruch 6, bei der der Niederschlagswassersammler (41) ein Becken aufweist, wobei das Becken auf einer Plattform (3) befestigt und/oder auf dem Meer schwimmend angeordnet ist.

8. Of f shore-Elektrolysesystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Wassersammler (13) eine Kondensationseinrichtung (43) aufweist, die für eine Kondensation feuchtigkeitsgesättigter Luft eingerichtet ist.

9. Of f shore-Elektrolysesystem nach Anspruch 8, mit einer einen Nebelkollektor aufweisenden Kondensationseinrichtung (43) umfassend ein feinmaschiges, großflächiges Netz als Kollektor, insbesondere Nylon oder Polypropylen-Netze aufweisend.

10. Of f shore-Elektrolysesystem (100) nach Anspruch 8, bei der die Kondensationseinrichtung (43) einen Kondensationstrockner aufweist, wobei ein Kondensationstrockner innerhalb des Turms (19) oder der Gondel der Windkraftanlage (1) angeordnet ist.

11. Of f shore-Elektrolysesystem (100) nach Anspruch 9 oder 10, bei dem die Elektrolyseanlage (5) einen in einem Container

(9) angeordneten Elektrolyseur und eine Kondensationseinrichtung (43) aufweist, so dass im Container (9) eine Kondensation von Feuchtigkeit herbeiführbar und trockene Betriebsbedingungen bewirkt sind.

12. Of f shore-Elektrolysesystem (100) , bei dem ein Inselnetz ohne Anschluss an ein elektrisches Versorgungsnetz realisiert ist .

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

14. Verfahren zum Betrieb eines Of f shore-Elektrolysesystems

(100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem Wassersammler (13) meerwasserunabhängig Wasser in einer Qualität gewonnen wird, bei der das gewonnene Wasser keine oder nur sehr geringe Mengen von Salzen aufweist.

15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei Niederschlagswasser gesammelt und/oder Wasser aus einer Kondensation von feuchtig- keitsgesättigter Luft gewonnen wird.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei das gewonnene Wasser aufbereitet wird und aufbereitetes Wasser als Edukt- Wasser (23) der Elektrolyseanlage (5) zugeführt wird.