NL1043221B1 - Inrichting en werkwijze voor het door middel van elektrolyse produceren van waterstof en voor het injecteren van de geproduceerde waterstof in een gasleiding. - Google Patents

Abstract

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting en een werkwijze voor het door middel van elektrolyse produceren van waterstof en voor het injecteren van de geproduceerde waterstof in een gasleiding. Door een gelijkstroom door water te leiden ontstaat waterstof aan de kathode en zuurstof aan de anode. Deze elektroden worden in deze uitvinding ieder in een andere kolom gemonteerd in een stelsel van communicerende vaten. In een andere kolom dan die waarin de kathode is gemonteerd wordt het vloeistofpeil op een constant niveau gehouden. De kolom met de kathode is verbonden met een gasdistributienetwerk. Door de vorming van waterstofgas ontstaat er een vloeistofniveauverschil tussen de kolommen en daarmee een overdruk in het waterstofgas. Bij voldoende overdruk wordt dit gas in het gasdistributienetwerk geïnjecteerd. 1043221

Description

Titel: Inrichting en werkwijze voor het door middel van elektrolyse produceren van waterstof en voor het injecteren van de geproduceerde waterstof in een gasleiding.

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het door middel van elektrolyse produceren van waterstof en voor het injecteren van de geproduceerde waterstof in een gasleiding. De uitvinding heeft voorts betrekking op een werkwijze voor het door middel van elektrolyse produceren van waterstof en voor het injecteren van de geproduceerde waterstof in een gasleiding.

In Nederland is lokale elektriciteitsproductie aan een grote opmars bezig. Als gevolg van deze ontwikkeling kan het elektriciteitsnetwerk het lokaal opgewekte vermogen niet altijd aan. Hierdoor nemen de realisatiemogelijkheden van zonne-energieprojecten af. Door een deel van het opgewekte elektrisch vermogen om te zetten in waterstofgas en dit toe te voegen aan het bestaande gasdistributienetwerk wordt ook de transportcapaciteit van dit netwerk benut. Daarnaast is energieopslag op basis van waterstof makkelijker te realiseren dan de opslag van elektriciteit.

Met de beschreven uitvinding kan worden gekozen welke productie, elektriciteit of waterstofgas, de voorkeur krijgt. Met een eenvoudig te realiseren besturing op afstand kan deze keuze bij de netwerkbeheerders worden belegd, waardoor deze regelmogelijkheden krijgen met betrekking tot de lokale energieproductie.

De uitvinding kan worden gebruikt om waterstofgas te injecteren in een waterstofgasdistributienetwerk, maar beperkt zich daar niet toe.

Uit proefnemingen is gebleken dat het Nederlandse aardgasnet in zijn huidige staat zonder problemen een bijmenging van 20% waterstofgas aan kan. Hieruit volgt dat de uitvinding op korte termijn kan worden ingezet door middel van aansluiting op het Nederlandse aardgasdistributienetwerk.

Het is een doel van de uitvinding om een oplossing te verschaffen volgens welke op een veilige, betrouwbare en betaalbare manier lokaal geproduceerde elektriciteit kan worden omgezet in waterstofgas dat kan worden geïnjecteerd in het lokale gasdistributienetwerk, waardoor het lokale elektriciteitsnetwerk minder wordt belast door lokale elektriciteitsproductie en de netbeheerders meer regelmogelijkheden krijgen ten aanzien van lokale elektriciteitsproductie.

Daartoe verschaft de uitvinding een inrichting volgens bijgaande conclusie 1, alsmede een werkwijze volgens bijgaande conclusie 4.

Waterstof is te produceren door middel van elektrolyse. Door een gelijkstroom door water of bijvoorbeeld door een mengsel van water met een elektrolyt te leiden ontstaan gassen aan de hiervoor gebruikte elektroden, te weten waterstof aan de kathode en zuurstof aan de anode. Deze elektroden worden in deze uitvinding ieder in een andere kolom gemonteerd, zodat de gassen na hun ontstaan niet mengen. Deze kolommen zijn aan de onderzijde hydraulisch met elkaar verbonden, zodat ze een stelsel van communicerende vaten vormen.

In een andere kolom dan die waarin de kathode is gemonteerd wordt het vloeistofpeil met een niveauregeling op een constant niveau gehouden, bijvoorbeeld met een vlottermechanisme of een sensor met bijpassende watertoevoer. Doordat de kolommen communicerende vaten zijn, zal in de vloeistof in alle kolommen op dezelfde hoogte dezelfde druk heersen.

De uitvinding wordt uitgevoerd met tenminste twee kolommen, maar bij voorkeur met drie kolommen. Bij de uitvoering met twee kolommen wordt de niveauregeling in de kolom met de anode gemonteerd. In de uitvoering met drie kolommen wordt de niveauregeling in een aparte kolom gemonteerd. Voordeel van deze voorkeursvariant is dat het eenvoudiger is de zuurstof naar een gewenst afvoerpunt te geleiden en dat de druk van de waterkolom niet wordt verstoord door opstijgende bellen zuurstofgas. Om deze reden kan de uitvoering met drie kolommen compacter worden gebouwd dan de uitvoering met twee kolommen.

De kolom met de kathode, waar het waterstofgas wordt geproduceerd, wordt aangesloten op een gasdistributienetwerk.

In een voorkeursuitvoering is bij deze aansluiting een terugstroombeveiliging, bijvoorbeeld in de vorm van een terugslagklep, aangebracht, zodat er geen gas uit het gasdistributienetwerk de kolom in kan stromen.

Bij inschakeling van de gelijkstroom zal aan de kathode waterstofgas worden gevormd.

Door de druk in het aangesloten gasdistributienetwerk zal dit waterstofgas niet meteen dit netwerk in kunnen stromen.

Het gevormde waterstofgas zal de vloeistof in de kolom met de kathode omlaag duwen.

Het peilverschil tussen de kolom met de kathode en de kolom met de watertoevoer en daarmee de druk van het waterstofgas in de kolom met de kathode zal toenemen totdat deze druk hoog genoeg is om de tegendruk van het gasdistributienetwerk te overwinnen.

Vanaf dat moment wordt de gevormde waterstof in het gasdistributienetwerk geïnjecteerd.

Bij het na aansluiting voor het eerst in werking stellen van de uitvinding bestaat bij een mogelijke uitvoering van het ontwerp de mogelijkheid om de lucht die zich bovenin de kolom met de kathode bevindt af te voeren door middel van een extra kraan op deze kolom.

Dit om het vullen te vergemakkelijken en te voorkomen dat lucht in het gasdistributienetwerk wordt geïnjecteerd.

De beschreven uitvinding is veilig door ontwerp.

Bij een mogelijke uitvoering van het ontwerp zijn de volgende veiligheidskenmerken aanwezig: — Er bevindt zich slechts een minimale hoeveelheid waterstofgas in het apparaat. — De waterstofproductie stopt vanzelf zodra het vloeistofniveau tot onder één van de elektroden daalt.

— De vloeistofkolom biedt ruim voldoende tegendruk om uitstroom uit het gasdistributienetwerk te voorkomen.

— Als extra veiligheid is in de aansluiting op het gasdistributienetwerk van de kolom met de kathode, waar het waterstofgas wordt geproduceerd, een terugslagklep gemonteerd.

— Behoudens de bij een mogelijke uitvoering van het ontwerp aanwezige vlotter en terugslagklep bevat het apparaat geen bewegende delen.

Bij de elektrolyse van water wordt warmte geproduceerd. Deze warmte moet worden afgevoerd. De efficiëntie van de elektrolyse is afhankelijk van de bedrijfstemperatuur.

De uitvinding voorziet er in dat warmte wordt afgevoerd door een warmtewisselaar. Door deze warmtewisselaar wordt warmte aan de elektrolyse vloeistof onttrokken. Deze warmte kan worden benut voor warmwatervoorziening, warmte opslag of een warmtenetwerk.

In het volgende wordt de uitvinding nader toegelicht aan de hand van een niet-limiterend uitvoeringsvoorbeeld en met verwijzing naar de schematische figuren in de bijgevoegde tekening, waarin het volgende is getoond.

Figuur 1 toont een voorbeeld van een uitvoeringsvorm van een inrichting volgens de uitvinding.

Figuur 2 toont een stroomschema van een voorbeeld van een werkwijze volgens de uitvinding.

Verwezen wordt nu eerst naar figuur 1.

De uitvoeringsvorm van figuur 1 omvat drie aan de onderzijde hydraulisch met elkaar verbonden kolommen, die een stelsel van communicerende vaten vormen. In dit stelsel bevind zich een vloeistof 3, die bestaat uit water en bijvoorbeeld een elektrolyt die niet verbruikt wordt bij elektrolyse.

Bij het vullen van dit stelsel kan de aftapkraan voor lucht 10 worden geopend om zo vloeistof toe te laten in de rechter kolom.

Het water dat bij de elektrolyse wordt verbruikt leidt op zeker moment tot een daling van het vloeistofniveau. In dat geval zal de vlotter 2 5 in de linker kolom zakken en water via de waterinlaat 1 toelaten.

In de middelste kolom is de anode 4 gemonteerd, in de rechter kolom de kathode 5. Als er een gelijkspanningsbron 6, bijvoorbeeld zonnepanelen, op de elektroden wordt aangesloten zal er elektrolyse van water gaan optreden. Hierdoor ontstaat zuurstofgas aan de anode. Dit gas ontwijkt via de zuurstofuitlaat 7. In de rechter kolom ontstaat waterstofgas aan de kathode. Deze kolom is via de waterstofuitlaat 8 aangesloten op een gasdistributienetwerk. Er kan vanwege de terugslagklep 9 in de waterstofuitlaat geen gas uit het gasdistributienetwerk de kolom in stromen.

Bij aanvang van het elektrolyseproces staat in alle kolommen de vloeistof op hetzelfde niveau 13. De in de rechterkolom gevormde waterstof zal de vloeistof in deze kolom naar beneden drukken. Er ontstaat dus een vloeistofniveauverschil tussen de kolom met de kathode en de andere kolommen. Dit niveauverschil resulteert in een overdruk in het waterstofgas in de rechter kolom. Bij een verdere toename van dit niveauverschil en dus van de overdruk is deze op een bepaald moment hoog genoeg om de tegendruk van het gasdistributienetwerk en de terugstroombeveiliging te overwinnen. Vanaf dat moment wordt de gevormde waterstof in het gasdistributienetwerk geïnjecteerd. De vloeistof in de rechter kolom zal zich op een nieuw evenwichtsniveau instellen 14.

De tijdens de elektrolyse ontstane warmte wordt afgevoerd door middel van een warmtewisselaar 12. Ten behoeve van onderhoudswerkzaamheden is een aftapkraan 11 aangebracht.

Verwezen wordt nu naar figuur 2. Het stroomschema van figuur 2 is toepasbaar in combinatie met de inrichting van figuur 1.

In deel I van het stroomschema wordt voor het opstarten van de werkwijze een gelijkstroom ingeschakeld die door de elektroden kan lopen. Deze stroom kan uitsluitend gaan lopen als beide elektroden contact maken met de vloeistof. Als dit het geval is wordt in deel II van het stroomschema waterstofgas gevormd in de kolom met de kathode. De gasvorming leidt tot een hogere druk in deze kolom. Als, in deel III van het stroomschema, de druk van het waterstofgas niet groter is dan de tegendruk van het gasnetwerk gaat het proces van waterstofvorming door totdat dit wel het geval is. In dat geval wordt, in deel TV van het stroomschema, waterstofgas in het gasnetwerk geïnjecteerd.

Bij de vorming van waterstofgas wordt water verbruikt. In deel V van het stroomschema regelt de vlotter het vloeistofniveau in de kolom met de watertoevoer. Is dit lager dan het ingestelde niveau, dan wordt door middel van de vlotter de watertoevoer geopend totdat de vloeistof weer op het ingestelde niveau is.

Claims (4)

CONCLUSIES

1. Inrichting voor het door middel van elektrolyse produceren van waterstof en voor het injecteren van de geproduceerde waterstof in een gasleiding, omvattende een anode en een kathode en meerdere aan de onderzijde hydraulisch met elkaar verbonden kolommen, die een stelsel van communicerende vaten vormen voor een te elektrolyseren vloeistof die water omvat, waarbij: — het stelsel van communicerende vaten voorzien is van een watertoevoer; — een van genoemde kolommen voorzien is van een niveauregeling, omvattende een voorziening om het niveau van genoemde vloeistof in deze kolom op een constant niveau te houden; — een van genoemde kolommen voorzien is van de anode en een zuurstofuitlaat voor het separaat afvoeren van het zuurstofgas dat bij elektrolyse van de vloeistof vrijkomt aan de anode; — een van genoemde kolommen, niet zijnde de kolom met de anode en/of de kolom met de niveauregeling, voorzien is van een kathode en een waterstofuitlaat voor het separaat afvoeren van het waterstofgas dat bij elektrolyse van de vloeistof vrijkomt aan de kathode en een aansluiting op een gasdistributienetwerk voor het afvoeren van het geproduceerde waterstofgas naar dit gasdistributienetwerk; — bij aanleggen van een gelijkspanning over de anode en de kathode waterstofgas wordt gevormd aan de kathode, waardoor het gevormde waterstofgas de vloeistof in de kolom met de kathode omlaag duwt zodat een resulterend peilverschil van de vloeistof tussen de kolom met de kathode en de kolom met de niveauregeling, en daarmee de druk van het waterstofgas in de kolom met de kathode, zal toenemen totdat deze druk hoog genoeg is om tegendruk van het gasdistributienetwerk te overwinnen en vanaf dat moment de gevormde waterstof in het gasdistributienetwerk wordt geïnjecteerd.

2. Inrichting volgens conclusie 1, waarbij de inrichting voorts een warmtewisselaar omvat voor het afvoeren van bij de elektrolyse van de vloeistof geproduceerde warmte.

3. Inrichting volgens conclusie 1 of 2, waarbij de kolom met de kathode voorts voorzien is van een terugstroombeveiliging om te voorkomen dat gas wt het gasdistributienetwerk de kolom in stroomt.

4. Werkwijze voor het door middel van elektrolyse produceren van waterstof en voor het injecteren van de geproduceerde waterstof in een gasleiding, omvattende: — het toevoeren van water aan een stelsel van communicerende vaten dat bestaat uit meerdere aan de onderzijde hydraulisch met elkaar verbonden kolommen, die een stelsel van communicerende vaten vormen voor een te elektrolyseren vloeistof die water omvat; — het door middel van een gelijkstroom elektrolyseren van een vloeistof die water omvat, met een anode en een kathode in verschillende kolommen, waarbij het aan de anode geproduceerde zuurstofgas separaat ontwijkt en de kolom met de kathode is aangesloten op een gasdistributienetwerk;

— het op een constant niveau houden van de te elektrolyseren vloeistof door middel van een niveauregeling in een van de kolommen in het stelsel, niet zijnde de kolom met de kathode; — het injecteren van het bij de kathode geproduceerde waterstofgas in het aangesloten gasdistributienetwerk door middel van de druk die wordt opgebouwd doordat het gevormde waterstofgas de vloeistof in de kolom met de kathode omlaag duwt totdat het peilverschil tussen deze kolom en de kolom met de niveauregeling en daarmee de druk van het waterstofgas in de kolom met de kathode groot genoeg is om de tegendruk van het aangesloten gasdistributienetwerk te overwinnen en vanaf dat moment de gevormde waterstof in dit gasdistributienetwerk te injecteren; en — het afvoeren van de bij de elektrolyse vrijkomende warmte.