EP4784819A1 - Offshore-elektrolysesystem sowie verfahren zum betrieb eines offshore-elektrolysesystems - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Offshore-Elektrolysesystem (100) umfassend eine Windkraftanlage (1) mit einem auf dem Meeresgrund verankerten Turm (19) und mit einer Elektrolyseanlage (5), wobei die Elektrolyseanlage (5) mit einer Versorgungsleitung (11) an die Windkraftanlage (1) angeschlossen ist, und wobei die Elektrolyseanlage (5) einen in einem Container (9) angeordneten Elektrolyseur (13) aufweist, wobei der Container (9) unterhalb des Meeresspiegels (25) angeordnet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb eines entsprechenden Offshore-Elektrolysesystems. Dabei wird von einem unterhalb des Meeresspiegels (25) angeordneten Elektrolyseur (13) der Elektrolyseanlage (5) Wasser in Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff zerlegt, wobei der erzeugte Wasserstoff (H₂) über eine Produktgasleitung (7) abtransportiert 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 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 großen Versorgungsplattform 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 .

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 . Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Of fsho- re-Elektrolysesystem anzugeben, das gegenüber den bekannten Konzepten einen zuverlässigen Betrieb bei verringerten Gestehungskosten ermöglicht , wobei dieses zugleich für einen möglichst autarken und wartungsarmen Betrieb ausgestaltet 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 einem auf dem Meeresgrund verankerten Turm und mit einer Elektrolyseanlage , wobei die Elektrolyseanlage mit einer Versorgungsleitung an die Windkraftanlage angeschlossen ist , und wobei die Elektrolyseanlage einen in einem Container angeordneten Elektrolyseur aufweist , wobei der Container unterhalb des Meeresspiegels angeordnet ist .

Die Erfindung geht hierbei bereits von der Erkenntnis aus , dass zukünftig vorrangig erneuerbare Energiequellen wie Wind- und Solarenergie verwendet werden sollen, um den C02-Ausstoß zu verringern . Neben der Nutzung als elektrische Energiequelle soll der erneuerbare Strom ebenfalls als Rohstof f für die Erzeugung von chemischen Grundstof fen oder Brennstof fen wie z . B . Wasserstof f dienen . Die Elektrolyseanlagen mit den Elektrolyseuren werden dabei idealerweise in der Nähe der erneuerbaren Energiequellen platziert , um Trans formations- und Leitungsverluste zu verringern oder vermeiden zu können . Bei Of f shore-Elektrolysesystemen muss dafür in herkömmlichen Konzepten grundsätzlich ausreichend Platz und Bauraum geschaf fen oder gefunden werden, was unter Umständen erhebliche Zusatzkosten durch Ausgestaltung der Plattform der Windkraftanlage verursacht .

Im Zuge erster Planungen der dezentralen, direkten Kopplungen von Elektrolyseanlagen an Of fshore Windkraftanlagen wurden bisher Konstruktionen vorgeschlagen, welche direkt auf einer Plattform als Tragstruktur am Turm der Of fshore- Windkraftan- läge angebracht wurden . Die Erfindung hat nun erkannt , dass diese Art der plattformbasierten Konstruktion und Aufstellung eines Of f shore-Elektrolysesystems zusätzliche statische für die Windkraftanlage im Betrieb verursacht sowie erhebliche Kosten für die Montage und Installation dieser notwendigen Plattform .

Die Erfindung schlägt bei einem Of f shore-Elektrolysesystem für die Elektrolyseanlage eine Unterwasserinstallation des Elektrolyseurs vor . Damit kann auf eine aufwändige Konstruktion einer großen Betriebs- und Versorgungsplattform am Turm der Windkraftanlage mit den darauf errichteten zahlreichen Systemkomponenten verzichtet werden kann . Es ist - falls überhaupt - lediglich noch eine kleine Versorgungsplattform für ausgewählte Hil fssysteme erforderlich, etwa für eine Anlagensteuerung und Stromversorgung der Elektrolyseanlage oder eine Einrichtung zur Meerwasseraufbereitung zur Bereitstellung von Edukt-Wasser für die Unterwasser-Elektrolyse . Aber selbst diese Hil fssysteme können unterhalb des Meeresspiegels in einem oder mehreren Containern installiert sein, so dass eine nahezu autarke „subsea"- Installation der Elektrolyseanlage möglich ist , die über eine Versorgungsleitung an die Windkraftanlage angeschlossen ist . Dabei ist der Elektrolyseur in einem Container untergebracht und geschützt .

Damit schaf ft die Erfindung eine alternative Lösung zu einer bisher im Stand der Technik fachüblichen Plattform für die Installation von Elektrolyseanlagen an einer Of fshore- Windkraf tanlage , wobei vorzugsweise die die Elektrolyseure in dem Container unter Wasser in der Nähe der Windkraftanlage angeordnet ist . Vorteilhaft ergibt sich dadurch zusätzlich ein sicherer Gefrierschutz aufgrund der Anordnung des Elektrolyseurs in einer frostfreien Tiefe unterhalb des Meeresspiegels . Der Gefahr eines Einfrierens von wasserführenden Komponenten der Elektrolyseanlage , insbesondere der empfindlichen Elektrolysezellen des Elektrolyseurs , ist dadurch intrinsisch begegnet . Es sind insbesondere keine aktiven Temperaturhaltungssysteme bei Frostgefahr vorzuhalten . Dabei ist es denkbar, die Elektrolyseeinheiten sowohl direkt auf dem Meeresgrund als auch in einer beliebigen aber festgelegten Wassertiefe zu installieren . Diese Konzeption bietet den Vorteil , dass der Turm der Windkraftanlage keine zusätzliche , statische Belastung erfährt und die Kosten für die Plattform entfallen . Außerdem ist ab einer gewissen Wassertiefe die Vereisungsgefahr, der für die Elektrolyse nötigen, wasserbasierten Medien und die potenziell daraus resultierende Anlagenschädigung, nicht mehr gegeben . Somit entfallen aufwendige Behei zungseinrichtungen inklusive deren Energieversorgung und damit auch Anlagenkosten . Das Gleiche gilt auch für die zum Elektrolysebetrieb nötigen Kühlanlagen, welche deutlich kleiner und kostengünstiger ausgeführt werden können, da in tieferen Wasserschichten konstant niedrigere Temperaturen herrschen und die nötige Größe von Kühlanlagen sich in der Regel umgekehrt proportional zur verfügbaren Kühltemperaturdi f ferenz verhält .

In besonders bevorzugter Ausgestaltung des Of fshore- Elektrolysesystems weist der Container eine unterwassertaugliche Kapselung auf , die für einen Einsatz des Elektrolyseurs unterhalb des Meeresspiegels konfiguriert ist .

Die unterwassertaugliche Kapsel ist vorteilhaft als eine Tauchkapsel oder als eine Ummantelung wasserdicht und druckfest ausgeführt . Dabei kann in einer möglichen vorteilhaften Aus führungs form die unterwassertaugliche Kapselung als ein druckkompensiertes Gehäuse ausgeführt sein, das mit einer Flüssigkeit gefüllt ist , die einen Innendruck aufweist , der mit dem Druck des Mediums , welches das Unterwassergehäuse umgibt , wie z . B . Meerwasser, ausgeglichen ist . Der Elektrolyseur ist innerhalb der Kapselung angeordnet . Der Druckausgleich kann durch einen Druckausgleich erfolgen, der an der Unterwasserumhüllung angebracht oder Teil davon sein kann . In anderen Aus führungs formen kann das Unterwassergehäuse auch ein druckfestes Gehäuse sein, das einen Druck unter typischerweise 3 - 5 bar im Inneren aufrechterhält , beispielsweise zwischen etwa 1 , 5 bar oder etwa 2 , 5 bar . Dies ist mithin noch relativ nahe an atmosphärischen Druckbedingungen . Das Fluid zum Druckausgleich kann eine chemisch inerte und möglichst inkompressible Hydraulikflüssigkeit sein . Es ist auch denkbar, dass das Fluid für eine Druckkompensation Meerwasser oder entsal ztes Wasser, z . B . entsprechend aufbereitetes Edukt-Wasser für die Elektrolyse , zum Einsatz kommt .

Von ganz besonderem Vorteil der Unterwasser- Installation erweist sich, dass Unterwasser-betriebene Druckelektrolyseure leichter und dadurch kostenef fi zienter ausgeführt werden können . Der in der Wassertiefe unterhalb des Meeresspiegels vorherrschende hydrostatische Druck kann besonders ef fi zient als Gegenkraft zum Betriebsdruck einer Elektrolyseanlage mit einem Druckelektrolyseur genutzt werden . Dadurch können die üblicherweise notwendigen Behälterwandstärken und Verspannungseinrichtungen für einen als Druckelektrolyseur Unterwasser ausgeführten Elektrolyseur deutlich dünner, leichter und somit kostengünstiger ausgeführt werden .

Der hier vorgestellte neuartige Ansatz integriert in vorteilhafter Weise die Erzeugung erneuerbarer Energien, die Elektrolyse und die Speicherung an einem Of f shore-Standort mit dem einzigartigen Aspekt der Unterwasser-Wasserstof ferzeugung und -Speicherung, wodurch Kompressionsverluste vermieden werden . Die Änderung des Umgebungswasserdrucks wirkt sich auf die Zellspannung der Elektrolyse selbst aus , was zu einem zukünftigen Kompromiss zwischen Kompressionsanforderungen und Elektrolyseverlusten führt . Das neue Konzept hat eine Reihe von Vorteilen gegenüber den derzeitigen Ansätzen . Durch die Durchführung der Elektrolyse unter Wasser wird der Umgebungsdruck unter Wasser genutzt , um Hochdruckwasserstof f zu erzeugen, wodurch der Bedarf an energieintensiven Kompressionssystemen erheblich reduziert wird . Dies schlägt sich direkt in reduzierten Betriebskosten wegen der Energieeinsparungen nieder . Die Unterwasserpro- duktion ermöglicht beispielsweise die direkte Speicherung von Wasserstof f in Hochdrucktanks , wodurch der Bedarf an zusätzlicher Verdichtung reduziert und die Energieef fi zienz weiter verbessert wird . Der erzeugte Hochdruck-Wasserstof f kann mit speziell angepassten Schi f fen direkt an Land transportiert oder in eine Unterwasser-Pipeline eingespeist werden, was im Vergleich zur herkömmlichen Methode der Verdichtung und des Transports von Wasserstof f Flexibilität und potenzielle Kosteneinsparungen bietet .

In bevorzugter Ausgestaltung des Of f shore-Elektrolysesystems weist die Windkraftanlage einen Generator aufweist , der innerhalb der Gondel der Windkraftanlage untergebracht ist , wobei die Versorgungsleitung innerhalb des Turms heruntergeführt und unter dem Meeresspiegel aus dem Turm herausgeführt und an die Elektrolyseanlage angeschlossen ist .

Auf diese Weise ist eine elektrische Versorgung des Elektrolyseurs mit elektrischem Strom möglich, wobei die Versorgungsleitung geschützt innerhalb des Turms verlegt und gut geschützt ist . Die Gleichrichtung des in dem Generator zunächst erzeugten Wechselstroms kann durch eine entsprechende Gleichrichteranordnung erreicht werden, die vorzugsweise innerhalb der Gondel angeordnet und dem Generator nachgeschaltet ist . In der Gondel können überdies auch Steuer- und Regeleinrichtungen für die Elektrolyseanlage untergebracht sein . Die Versorgungsleitung selbst kann für mehrere Zwecke eingerichtet sein und neben der elektrischen Versorgung der Elektrolyseanlage mit Strom auch noch weitere Versorgungsaufgaben übernehmen . So kann die Versorgungsleitung beispielsweise Leitungen für die Zustandsmessung und/oder die Steuerung bzw . Regelung des Elektrolyseurs integrieren, also etwa Sensorleitungen und Steuerleitungen . Auch ist es denkbar, dass die Versorgungsleitung eine Fluidleitung umfasst , wobei das Fluid ein Hydraulikfluid, z . B . Wasser oder Meerwasser, zur Druckkompensation der Kapselung ist oder auch aufbereitetes Edukt-Wasser, vollentsal ztes Wasser, für den Betrieb des Elektrolyseurs . In weiter bevorzugter Ausgestaltung des Of f shore-Elektrolyse- systems ist der Container in einer Tiefe unterhalb des Meeresspiegels positioniert und mit einer Flüssigkeit flutbar, so dass ein vorgegebener Fluiddruck im Container einstellbar ist , der auf den Elektrolyseur einwirkt .

Die Flüssigkeit kann eine Hydraulikflüssigkeit sein, insbesondere Wasser oder Meerwasser . Die Unterwasser-taugliche Kapselung kann somit auch als eine Tauchkapsel ausgeführt sein und den Elektrolyseur und ggf . weitere Anlagenkomponenten der Elektrolyseanlage sicher aufnehmen . Somit kann vorteilhafterweise eine tauchfähige Elektrolyseanlage bereitgestellt werden, die j e nach gewählter Tauchtiefe unterhalb des Meeresspiegels auf einem vorgebbaren hydrostatischen Druckniveau des Wasserdrucks der Umgebung betreibbar ist . Eine Verdrängungsvorrichtung für das Fluid kann bedarfsweise vorgesehen sein, die beispielsweise durch einen Sauerstof f-Drucktank aktivierbar ist .

Im bevorzugter Ausgestaltung können innerhalb eines druckkompensierten Gehäuses j e nach Auslegung wahlweise ein Elektrolyseur, ein Gas-Separator, ein Gasbehälter, die Steuerung und Prozesstechnik des Elektrolyseurs sowie Einrichtungen für die Entsal zung und Aufreinigung des Sal zwassers zu Edukt-Wasser für die Elektrolyse angeordnet sein . Auf diese Weise ist eine nahezu autarke Unterwasser- Installation einer Elektrolyseanlage in dem Of f shore-Elektrolysesystem erreicht .

Durch die Unterwasser- Installation des Elektrolyseurs ist das Of f shore-Elektrolysesystem in besonders bevorzugter Weise für die Integration und den Betrieb eines Druckelektrolyseurs in dem Container geeignet .

Daher ist vorzugsweise in dem Of f shore-Elektrolysesystem der Elektrolyseur als Druckelektrolyseur ausgestaltet und für den Betrieb bei einem Arbeitsdruck von größer 5 bar, insbesondere von größer 10 bar, hergerichtet . Aufgrund des infolge der Eintauchtiefe unter den Meeresspiegel hydrostatisch einstellbaren Umgebungsdrucks in dem Container ist ein Gegendruck bereitgestellt , so dass der Materialeinsatz und die Wandstärken eines Druckelektrolyseurs gegenüber einem Einsatz bei Atmosphärendruck als Umgebungsdruck deutlich geringer ausgeführt werden können . Das gleiche tri f ft auf die Dimensionierung der Verspannungseinrichtungen für die axial gestapelten und druck- und fluiddicht verspannten Zellen zu . Somit ist durch den Umgebungsdruck der Materialeinsatz und die Materialbeanspruchung der fluidführenden Komponenten des Druckelektrolyseurs reduziert . Zugleich sind reduzierte Herstellkosten zu verzeichnen . Die Wahl des Betriebsdrucks des Druckelektrolyseurs ist an die Einsatztiefe unter dem Meeresspiegel anpassbar und umgekehrt .

So kann in bevorzugter Ausgestaltung das Of f shore-Elektroly- sesystem derart ausgeführt sein, dass der Container unmittelbar auf dem Meeresgrund angeordnet ist . Hierzu kann der Container mit dem Elektrolyseur auf dem Meeresgrund aufgestellt und bei Bedarf zusätzlich verankert sein .

In besonders bevorzugter Ausgestaltung des Of fshore- Elektrolysesystem ist der Container auf einer lösbaren Stützvorrichtung auf einer Höhe über dem Meeresgrund aufgestellt ist .

Dadurch ist eine Auf ständerung des Containers auf einer Arbeitshöhe realisiert . Die Stützvorrichtung kann über ein Fundament im Meeresboden mit dem Meeresboden fest verbunden sein und gegenüber dem Container eine lösbare Befestigungsvorrichtung aufweisen . Dadurch ist der Container mit dem Elektrolyseur an seinem Aufstellort für Wartung, Inspektion und Service zugänglich . Andererseits ist durch die lösbare Aufstän- derung des Containers eine Austauschmöglichkeit des Containers realisiert . Für Wartung, Revision oder Reparatur kann der Container geborgen und mit einem Hebezeug über die Meeresoberfläche gehoben werden . Es ist hierbei auch möglich, dass der Container mit einem gas förmigen Medium, beispielsweise Sauerstof f oder Wasserstof f aus einem Tank geflutet wird, wobei das Wasser verdrängt wird . Der Container steigt an die Meeresoberfläche auf , ähnlich einem U-Boot . Auf diese Weise kann auch auf schwere Hebezeuge und große Seilwinden an einem Serviceschi f f verzichtet werden . Das gas förmige Medium ist vorteilhaft aus dem Elektrolyseprozess gewonnenes Produktgas , also Wasserstof f oder Sauerstof f , das für die Flu- tung in Gasspeichern bevorratet wird .

In bevorzugter Ausgestaltung des Of f shore-Elektrolysesystems ist an der Außenhülle des Containers eine Kupplungsvorrichtung angebracht , die für den Eingri f f eines Hebezeugs ausgestaltet ist .

Hierdurch ist erreicht , dass der Container mit dem Elektrolyseur an die Oberfläche geholt werden kann und an Deck eines Service-Schi f fs für Revision oder Wartung des Elektrolyseurs verbracht . Es ist vorteilhaft vorgesehen, dass in dem Of fsho- re-Elektrolysesystem mehrere unterwassertaugliche Container bereitgestellt sind, die unterschiedliche spezi fische Aufgaben übernehmen . So können Hil fssysteme , elektrische Versorgungseinrichtungen, Aufbereitungseinrichtung für das Edukt- Wasser, Sensoreinrichtungen sowie Steuer- und Regeleinrichtungen für den Elektrolyseur in einem j eweiligen Container untergebracht sein für eine funktionale Trennung und um entsprechenden Containervolumen vorzuhalten . Auch können bestimmte Funktionselemente gemeinsam in einem Container untergebracht sein .

Vorzugsweise weist in dem Of f shore-Elektrolysesystem die Elektrolyseanlage eine Produktgasleitung auf , die aus dem Container herausgeführt ist , wobei mittels der Produktgasleitung unter einem Gasdruck erzeugter Wasserstof f als Produktgas transportierbar ist .

Der Gasdruck des Produktgases entspricht dabei näherungsweise dem Wasserdruck am Aufstellungsort in der gewählten Meeres- tiefe . Der Arbeitsdruck des Druckelektrolyseurs kann aber insbesondere auch etwas höher gewählt sein als der anstehende Wasserdruck . Somit ist eine Druckelektrolyse durchführbar, wobei das Produktgas , insbesondere Wasserstof f und einem gegenüber Atmosphärendruck bereits deutlich erhöhten hohen Druck erzeugt werden kann . Durch dieses Druckniveau des Produktgases ist ein Transport über eine Produktgasleitung und eine Weiterverarbeitung, beispielsweise Kompression, mit geringerem Energieeinsatz möglich .

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung des Of fshore- Elektrolysesystems ist der Elektrolyseur als ein PEM- Elektrolyseur ausgeführt .

Der PEM-Elektrolyseur arbeitet mit vollentsal ztem Wasser als Edukt , das in der maritimen Umgebung leicht gewonnen werden kann . Die Gewinnung und Bereitstellung kann durch ein containerbasiertes Wasseraufbereitungsaggregat erfolgen, das Unterwasser in der Nähe des Elektrolysecontainers angeordnet ist oder in dem Container mit dem Elektrolyseur untergebracht sein kann . Daher ist die Ausgestaltung des Elektrolyseurs als PEM-Elektrolyseur besonders vorteilhaft und zweckmäßig . Prinzipiell ist es auch möglich, dass das Wasseraufbereitungsaggregat innerhalb des Turms der Windkraftanlage oder auf eine kleine Arbeitsplattform am Turm auf gestellt ist .

Die auf ein Verfahren gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines oben beschriebenen Of f shore-Elektrolysesystems , bei einem unterhalb des Meeresspielgels angeordneten Elektrolyseur der Elektrolyseanlage Wasser zugeführt und in Wasserstof f und Sauerstof f zerlegt wird, wobei der erzeugte Wasserstof f (H₂ ) über eine Produktgasleitung abtransportiert wird .

Vorzugsweise wird bei dem Verfahren in dem Elektrolyseur eine Druckelektrolyse bei einem Arbeitsdruck durchgeführt , wobei der Arbeitsdruck an den hydrostatischen Druck am Einsatzort unterhalb des Meeresspiegels angepasst wird . Auf diese Weise können geringe Di f ferenzdrucke zwischen dem Arbeitsdruck im Elektrolyseur und dem am Gehäuse anstehenden Wasserdruck eingestellt werden, so dass die Materialbelastung der Gehäusekonstruktion reduziert ist . Mithin können die Wandstärken der Gehäusekonstruktion gegenüber herkömmlichen Druckelektrolyseuren - bei Betrieb in atmosphärischer Umgebung - geringer dimensioniert werden . Der Di f ferenzdruck wird durch die Wahl des Arbeitsdrucks des Elektrolyseurs und die Einstellung der Wassersdrucks über die Tauchtiefe typischerweise auf kleiner 1 bar, insbesondere kleiner 0 , 5 bar, angepasst und eingestellt .

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 nach dem Stand der Technik;

FIG 2 eine schematische Seitenansicht eines Of fshore- Elektrolysesystems mit einem in einem Container angeordneten Elektrolyseur ;

FIG 3 eine schematische Seitenansicht eines Of fshore- Elektrolysesystems mit einer Auf ständerung des Containers ;

FIG 4 eine schematische Seitenansicht des Of fshore- Elektrolysesystems bei einer Wartungssituation .

Gleiche Bezugs zeichen habe in den Figuren die gleiche Bedeutung . In FIG 1 ist ein Of f shore-Elektrolysesystem 100 dargestellt , wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist . 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 groß formatige 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 notwendigen 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 .

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 .

Neben den Witterungsexposition und der Gefriergefahr kommt bei den bekannten Of f shore-Elektrolysesystemen 100 nachteilig hinzu, dass mit der Plattformkonstruktion mit einer groß formatigen schweren Plattform 3 und den darauf angeordneten viel fältigen Anlagenteilen eine erhebliche statische Belastung der Windkraftanlage 1 einhergeht . Damit einher gehen erhebliche Kosten für die Errichtung und den Betrieb des Of fs- hore-Elektrolysesystems 100 in der bekannten Aus führung .

Diesen Nachteilen wird durch die Erfindung mit einem neuartigen Anlagenkonzept für ein Of f shore-Elektrolysesystem 100 begegnet , wobei ein besonders zuverlässiger Betrieb bei verringerten Gestehungskosten erreicht ist . In FIG 2 zeigt beispielhaft eine schematische Seitenansicht eines entsprechend ausgestatteten Of f shore-Elektrolysesystems 100 mit einem unter dem Meeresspiegel 25 angeordneten Container 9 . Das Of fs- hore-Elektrolysesystem 100 weist eine Windkraftanlage 1 mit einem auf dem Meeresgrund 21 verankerten Turm 19 auf . Die Verankerung erfolgt über ein massives Fundament 33 , das in den Meeresboden eingebracht ist . Der Turm 19 trägt als Konstruktionselement eine Gondel 17 mit der Turbine und erstreckt sich von einem Überwasserbereich 29 in einen Unterwasserbereich 31 hinein bis in den Meeresgrund 21 . Weiterhin ist eine Elektrolyseanlage 5 vorgesehen, die einen Elektrolyseur 13 umfasst , wobei die Elektrolyseanlage 5 über eine Versorgungsleitung 11 an die Windkraftanlage 1 angeschlossen ist .

Ein nicht näher dargestellter Generator ist in der Gondel 17 angeordnet , so dass aus der Windkraftanlage 1 im Generator erzeugter Strom als Elektrolysestrom dem Elektrolyseur 13 über die Versorgungsleitung 11 zuführbar ist . Die Versorgungsleitung 11 ist im Uberwasserbereich 29 innerhalb des Turms 19 verlegt und ist am Fuß des Turms 19 aus dem Turm 19 in den Unterwasserbereich 31 herausgeführt und in einen Container 9 hineingeführt . Der Elektrolyseur 13 ist in dem Container 9 angeordnet , der eine Unterwasser-taugliche Kapselung zur Aufnahme des Elektrolyseurs 13 aufweist . Der Container 9 ist unterhalb des Meeresspiegels 25 in einer Tiefe h angeordnet , vorliegend auf dem Meeresgrund 21 positioniert und für den Elektrolysebetrieb im maritimen Bereich unter Wasser eingerichtet . Hierbei ist eine Anordnung realisiert , bei der der Container 9 mit einer Flüssigkeit , beispielsweise mit Meerwasser oder mit einer Hydraulikflüssigkeit aus einem Vorratstank, geflutet werden kann, so dass ein vorgegebener Fluiddruck p im Container 9 einstellbar ist , der auf die Gehäuseteile des Elektrolyseurs 13 ansteht und einwirkt . Dadurch kann der Elektrolyseur 13 in besonders vorteilhafter Weise als Druckelektrolyseur ausgestaltet werden und bei einem Betriebsdruck von beispielsweise größer 5 bar betrieben werden . Durch die Unterwasserinstallation wird in besonders vorteilhafter Weise Wasserstof f H₂ als Produktgas durch elektrochemische Zerlegung von Wasser unter einem entsprechend hohen Arbeitsdruck p gewonnen . Der in druckbehaftete Wasserstof f H₂ wird über eine Produktgasleitung 7 aus dem Container 9 her- ausgeleitet , abtransportiert und der weiteren Verwendung zugeführt . Es ist dabei möglich, dass Wasserstof f H₂ und/oder Sauerstof f teilweise in einem j eweiligen Tank unter Wasser bevorratet und an der Elektrolyseanlage 5 vorgehalten wird .

In FIG 3 ist eine mögliche Variante bzw . Weiterentwicklung der Positionierung und Verankerung des Containers 5 mit dem Elektrolyseur 13 dargestellt . Hierbei ist in einer schematischen Seitenansicht eines Of f shore-Elektrolysesystems 100 einer Auf ständerung des Containers 9 gezeigt . Die Auf ständerung des Containers 9 erfolgt durch eine lösbare Stützvorrichtung 23 , die den Container 9 in einer Höhe über dem Meeresgrund 21 in Position hält . Die Stützvorrichtung 23 ist über ein Fundament 33 in den Meeresgrund verankert . Durch die Stützvorrichtung 23 ist der Container 9 mit der den Elektrolyseur 13 umfassenden Unterwasser-tauglichen Kapselung 15 von dem Meeresboden 21 beabstandet , so dass eine bedarfsweise Zugänglichkeit und allumfassende Umspülung des Containers bewirkt ist . Dies ist vorteilhaft für die gleichmäßige Temperaturhaltung der Umfassungswände des Containers 9 und das Wärmemanagement . Ein Einfrieren ist in der Tiefe h unter dem Meeresspiegel nicht zu befürchten, so dass besondere Temperaturhaltungskonzepte für die wasserführenden Komponenten des Elektrolyseurs 13 im Falle einer längeren Dunkel flaute der Windkraftanlage in kalten Wintermonaten nicht notwendig sind . Dabei kann in einer besonderen Ausgestaltung die Unterwasser-taugliche Kapselung 15 als ein druckkompensiertes Gehäuse ausgeführt sein, die mit einer Flüssigkeit gefüllt ist , die einen Innendruck aufweist , der mit dem Druck des Mediums , das das Unterwassergehäuse umgibt , wie z . B . Meerwasser, ausgeglichen ist . Der Elektrolyseur 13 ist innerhalb der Kapselung 15 angeordnet .

In FIG 4 ist eine schematische Seitenansicht des Of fshore Elektrolysesystems 100 in einer Wartungssituation oder im Falle einer notwendigen Revision oder Inspektion des Elektrolyseurs 13 gezeigt . An der Außenhülle des Containers 9 ist eine Kupplungsvorrichtung 35 angebracht , die für einen inni- gen Eingri f f eines Hebezeugs 39 ausgestaltet ist . Bei der Revision kommt ein entsprechendes Serviceschi f f 37 zum Einsatz , das über ein Hebezeug 23 verfügt und den Container 9 mit dem Elektrolyseur 13 aus dem Meerwasser heraushebt . Das Hebezeug 23 ist für einen Eingri f f in die Kupplungsvorrichtung 25 eingerichtet . Auf diese Weise kann in einer Wartungssituation ein Container 9 mit einem zu wartenden Elektrolyseur 13 herausgeholt und einfach durch einen voll funktionstüchtigen Elektrolyseur 13 in einem weiteren Container 9 ausgetauscht werden . Durch die rasche Austauschbarkeit und das modulare Konzept ist ein wartungsbedingter Produktionsaus fall an Wasserstof f H₂ reduziert .

Der große Vorteil der hier vorgestellten Lösung besteht darin, dass auf die aufwendige und kostspielige Installation einer Plattform 3 zur Platzierung einer dezentralen Elektrolyseanlage 5 verzichtet werden kann . Des Weiteren ergibt sich aus der Unterwasserinstallation erhebliches Einsparungspotenzial hinsichtlich der Anlagenkonstruktionskosten bzw . der notwendigen, druckstabilen Auslegung von Einzelkomponenten bis hin zum Thermomanagementsystem der Elektrolyseanlage . Durch die konstante Unterwassertemperatur entfällt die Notwendigkeit einer zusätzlichen adiabatischen Luftkühlung, die sonst für Elektrolyseanlagen 5 erforderlich wäre . Dies führt zu weiteren Energieeinsparungen und vereinfacht das System, indem es auf einen Wärmetauscherkreislauf mit kaltem Wasser reduziert wird . Darüber hinaus schlägt dieser Ansatz die Nutzung bestehender Of f shore-Strukturen vor, wodurch die Kapitalinvestitionen für die Errichtung von Of f shore-Elektrolyse- und Speicheranlagen erheblich reduziert werden könnten . Der Wegfall der Kompressionsstufe bei einer Druckelektrolyse wird den Wartungsaufwand des Systems erheblich reduzieren .

Claims

Patentansprüche

1. Of f shore-Elektrolysesystem (100) umfassend eine Windkraftanlage (1) mit einem auf dem Meeresgrund (21) verankerten Turm (19) und mit einer Elektrolyseanlage (5) , wobei die Elektrolyseanlage (5) mit einer Versorgungsleitung (11) an die Windkraftanlage (1) angeschlossen ist, und wobei die Elektrolyseanlage (5) einen in einem Container (9) angeordneten Elektrolyseur (13) aufweist, wobei der Container (9) unterhalb des Meeresspiegels (25) angeordnet ist.

2. Of f shore-Elektrolysesystem (100) nach Anspruch 1, bei der der Container (9) eine unterwassertaugliche Kapselung (15) aufweist, die für einen Einsatz des Elektrolyseurs (13) unterhalb des Meeresspiegels (25) konfiguriert ist.

3. Of f shore-Elektrolysesystem (100) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Windkraftanlage (1) einen Generator aufweist, der innerhalb der Gondel (1) der Windkraftanlage (1) untergebracht ist, wobei die Versorgungsleitung (11) innerhalb des Turms (19) heruntergeführt und unter dem Meeresspiegel (25) aus dem Turm herausgeführt und an die Elektrolyseanlage (5) angeschlossen ist.

4. Of f shore-Elektrolysesystem (100) nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem der Container (9) auf einer Tiefe (h) unterhalb des Meeresspiegels (25) positioniert und mit einer Flüssigkeit flutbar ist, so dass ein vorgegebener Fluiddruck (p) im Container (9) einstellbar ist, der auf den Elektrolyseur (13) einwirkt .

5. Of f shore-Elektrolysesystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Elektrolyseur (13) als Druckelektrolyseur ausgestaltet und auf einen Arbeitsdruck von größer 5 bar ausgelegt ist, insbesondere bei einem Arbeitsdruck von größer lObar betreibbar ist.

6. Of f shore-Elektrolysesystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Container (9) auf dem Meeresgrund (21) angeordnet ist.

7. Of f shore-Elektrolysesystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Container (9) auf einer lösbaren Stützvorrichtung (23) auf einer Höhe über dem Meeresgrund (21) aufgestellt ist.

8. Of f shore-Elektrolysesystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem an der Außenhülle des Containers (9) eine Kupplungsvorrichtung (35) angebracht ist, die für den Eingriff eines Hebezeugs (37) ausgestaltet ist.

9. Of f shore-Elektrolysesystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem von dem Elektrolyseanlage (5) eine Produktgasleitung (37) aufweist, die aus dem Container (9) herausgeführt ist, mittels derer unter einem Gasdruck (p) erzeugter Wasserstoff (H₂) als Produktgas transportierbar ist.

10. Of f shore-Elektrolysesystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Elektrolyseur (13) als ein PEM- Elektrolyseur ausgeführt ist.

11. Verfahren zum Betrieb eines Of f shore-Elektrolysesystems (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei von einem unterhalb des Meeresspiegels (25) angeordneten Elektrolyseur (13) der Elektrolyseanlage (5) Wasser in Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff zerlegt wird, wobei der erzeugte Wasserstoff (H₂) über eine Produktgasleitung (7) abtransportiert wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei in dem Elektrolyseur (13) eine Druckelektrolyse bei einem Arbeitsdruck (p) durchgeführt, wobei der Arbeitsdruck (p) an den hydrostatischen Druck am Einsatzort in einer Tiefe (h) unterhalb des Meeresspiegels (25) angepasst wird.