WO2024017633A1 - Elektrolysesystem - Google Patents

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WO2024017633A1
WO2024017633A1 PCT/EP2023/068481 EP2023068481W WO2024017633A1 WO 2024017633 A1 WO2024017633 A1 WO 2024017633A1 EP 2023068481 W EP2023068481 W EP 2023068481W WO 2024017633 A1 WO2024017633 A1 WO 2024017633A1
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electrolysis system
electrolysis
network
central
voltage
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PCT/EP2023/068481
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Inventor
Sven Schumann
Marvin Bendig
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Siemens Energy Global GmbH & Co. KG
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    • F05B2220/00—Application
    • F05B2220/61—Application for hydrogen and/or oxygen production

Definitions

  • the invention relates to an electrolysis system, comprising at least one electrolysis system as well as a power supply source with a DC voltage output and a central supply line.
  • the invention further relates to a use.
  • electrolysis redox reactions that are associated with material conversions can be enforced by imposing an electric current through suitable cell elements.
  • a device for this purpose is called an electrolyzer and can be used to produce important raw materials in the chemical industry.
  • anode and cathode halves are separated by diaphragms (or membranes), which enable electrical conductivity (ion and/or proton exchange) but prevent material exchange.
  • diaphragms or membranes
  • liquid electrolytes are used in electrolysers, which are changed or are consumed, they can be continuously renewed during the process using appropriate supply and discharge lines.
  • the substance conversion rates for given cell elements are generally subject to narrow limits due to current density limitations. For large-scale use, the active cell element area must therefore be increased in order to increase the material conversion rates.
  • a technically sensible and frequently used method is to arrange many (same) cell elements into a stack.
  • the electrical connection of the cell elements of a stack represents a series connection, i.e. H .
  • the anode of a cell element N is electrically connected to the cathode of the cell element s N+l and the cathode of the cell element N is electrically conductively connected to the anode of the cell element Nl.
  • the low cell element voltage is multiplied from a few volts to, for example, several hundred volts.
  • the hydraulic connection of the cell elements of a stack to supply fresh electrolytes represents a parallel connection.
  • the hydraulic connection of the cell elements to form a stack creates additional and undesirable electrically conductive connections between all cell elements.
  • an electrical working current flows through all cell elements:
  • unwanted so-called electrical stray currents also flow on the various parallel current paths.
  • These electrical stray currents lead to local current density increases close to the supply lines and discharge lines of the electrolytes, particularly on the first and last cell elements of a stack. This can lead to premature aging and destruction of the membranes and failure of the entire stack.
  • DE 10 2020 206 341 A1 describes a method for corrosion protection of an electrolysis stack comprising several cell stacks or modules as well as a corresponding electrolysis stack.
  • the method is particularly suitable for reliable corrosion protection of a C0 2 electrolysis in standstill operation or for transport purposes of the electrolysis stack.
  • renewable energy gas - also known as renewable energy gas - can be produced based on hydrogen.
  • renewable gas is a combustible gas that is obtained using electrical energy from renewable sources.
  • a source of renewable energy comes from the increasing use of wind power. Large electrical outputs can be achieved particularly with offshore wind turbines located close to the coast. What is challenging, however, is that there is a large distance to overcome from consumers. The energy should therefore be transported to the consumer with as little loss as possible. Hydrogen is very suitable as a transport medium and energy source. This can be transported in gaseous form through pipelines, for example.
  • a positive side aspect here is that a hydrogen-carrying pipeline can simultaneously fulfill the function of an energy storage device, since the internal pressure can be varied within certain limits.
  • the electrolysis electricity is not regularly obtained from the public grid, but is supplied in a network directly from a wind turbine or a PV system and fed via a supply line into an electrolyzer in the electrolysis system. It may be possible to temporarily store the electrical energy generated by a wind turbine or a PV system, for example in a battery.
  • the island grid operation brings with it special challenges and problems for the electrolysis system with regard to the electrical connection and interconnection of the electrolysis system with the respective renewable energy generation system, be it a wind turbine or a photovoltaic system, in particular to ensure safe and, above all, trouble-free operation of the electrolysis system in a direct system network with the renewable energy generation system.
  • a problem that needs to be taken into account in particular is that in an electrolysis system that forms an integrated and self-sufficient island network, in the electrolysis systems connected to it, the hydrogen electrolysis cells - emanating from the modules - form corresponding electrical stray currents to earth. These stray currents flow through the process water lines and lead to undesirable corrosion damage to them - even if there are sufficient insulation sections. Metal ions are released into the process water, which become irreversible, especially on the (PEM) membranes Damage, or lead to accelerated aging. In applications involving both PEM electrolysis and alkaline electrolysis systems, these stray currents also reduce the efficiency. The corrosion effects caused by stray currents must therefore be reduced as much as possible.
  • a reduction in electrical stray currents can be achieved, for example, by increasing the electrical resistance of the electrolyte supply and discharge lines.
  • the current solution envisages extending the supply lines and outgoing lines, which results in an increase in resistance while maintaining the same cross-sectional areas.
  • the line extensions disadvantageously lead to increased flow resistance and increased material requirements for production and corresponding additional costs for construction. This is particularly problematic in remote locations where an electrolysis system is installed in an isolated network operation that is then necessary or desired, i.e. in situations where connecting the electrolysis system to the public power grid is not technically or economically possible or would only be possible with considerable effort.
  • an electrolysis system comprising an electrolysis system and a power supply source with a DC voltage output and comprising a central supply line, whereby the central supply line is connected to the DC voltage output of the power supply source, so that a direct current can be fed into the central supply line, a central DC high-performance strand designed for the DC voltage being provided, to which the electrolysis system is connected via the central supply line, the power supply source and the DC high-performance strand is designed as components of a network isolated from earth.
  • the invention is based on the knowledge that in an electrolysis system with connection and supply through the public alternating current network with a transformer, galvanic isolation is achieved and the high-current electrolysis circuit is therefore already operated as an isolated network or is grounded at one point on the modules can.
  • the current is reduced simply because the process technology of the electrolysis system does not provide a good electrical return conductor for the stray current or because no ground loop is formed.
  • electrolysis is to be operated in an island network, for example as an electrolysis system comprising an offshore wind turbine, or on-shore in remote areas of the country, or as a solar system
  • the invention proposes the connection or integration of the electrolysis system to a central DC network specially set up for this purpose, which is designed to be unearthed.
  • a so-called IT network (IT: isole terre) is formed by the central DC high-performance line and all the operating components connected to it.
  • the operating components that form the IT network of the electrolysis system such as the power generator or generator of the power supply source, the central supply line and the electrolysis system, are all designed to be unearthed.
  • the power supply source supplying the operating voltage is therefore insulated from earth, that is to say it is generally open or implemented via a symmetrical and high-resistance earthing of the electrolysis system. In normal operation, there is therefore no low-resistance connection between the active parts of the IT network and earth or protective conductor.
  • the central DC high-performance line is part of the entire IT network, whereby the IT network also includes the operating components of the electrolysis system connected to it, such as the power supply source with the DC voltage output and the electrolysis system.
  • the concept of the invention is therefore about designing and operating the entire supply line from the generator, including the provided DC high-performance line and the electrolysis system, as an IT network in order to avoid the corrosive stray currents in the electrolysis.
  • an AC intermediate circuit for galvanic decoupling can advantageously be dispensed with.
  • an isolated DC high-performance line is implemented in an electrolysis system, so that island network operation is possible when the electrolysis system is connected to a renewable energy system (RE system), such as a wind turbine or a photovolta system, to the central DC system. Supply line is possible.
  • RE system renewable energy system
  • Supply line is possible.
  • the high-performance strand is In this case, all conductors are at an electrically undefined potential relative to earth.
  • the DC network formed by the isolated high-performance strand of the electrolysis system provides the specified high voltage and direct current electrical power on the central supply line and acts as a transmission and distribution network for the direct current.
  • the required transmission power is brought from the power supply source to the electrolysis system via the central and unearthed DC network, so that the electrolysis direct current is available.
  • the high voltage of the DC network can be flexibly selected and adjusted to the required DC voltage connection value.
  • the corrosion effects are reduced and maintenance and service costs are therefore reduced.
  • An increase in operating time is further promoted by the electrolysis system of the invention.
  • the electrolysis system has an insulation monitor, so that a minimum insulation resistance of the isolated network to earth can be monitored and an insulation fault can be detected.
  • the insulation resistance is preferably high-resistance, so that a high-resistance grounding is designed for a specified minimum insulation resistance, which must not be undercut during operation.
  • an insulation monitor is provided, which serves as a protective element and with which the insulation resistance can be monitored or displayed so that alarm signals can be given and measures can be taken.
  • the use of the isolated DC network makes the use of an insulation monitor as a protective element very advantageous.
  • the electrolysis system can continue to operate, especially the electrolyzers Electrolysis system, as there is no immediate danger, which increases availability.
  • the insulation monitor or insulation monitoring device monitors the insulation status of the IT network, for example local low-voltage networks without an operationally grounded star point. It reports that the insulation resistance has fallen below a minimum. In the past, only a current or voltage measurement against earth was carried out (symmetry deviation), but today it is required that symmetrical insulation faults can also be reliably detected, which also requires a test current. In the event of a fault, if the insulation fault current is exceeded, either only a warning can be issued or the relevant network feeder can be switched off.
  • the insulation monitor is designed to be single-fault tolerant, so that a simple error (single-pole ground fault) does not lead to a failure of the power supply or the relevant outlet in the electrolysis system. In this way, the power supply source or its outlets in the isolated IT direct voltage network are effectively protected.
  • a first ground fault is harmless in the IT network because the currents caused only by line capacities and insulation resistances of the electrolysis system and its operating resources are small. If the spatial extent of the electrolysis system or the IT network formed by it is small, the leakage currents in the event of a fault are so small that they are harmless.
  • the insulation monitor advantageously detects earth faults, asymmetries and insufficient insulation resistance in the IT network. To do this, it measures the symmetry of the voltages of both network poles against earth. If the leakage currents of the two network poles are the same, symmetry is maintained.
  • a high-voltage direct current with a predetermined high voltage significantly above the usual mains voltage is provided at the connections of the central supply line. This means that in the IT network, the electrolyzers of the electrolysis system connected to the central DC bus line can be individually supplied centrally via a direct current network.
  • the power supply source therefore preferably has a step-up converter with a DC voltage output, by means of which a predetermined high voltage can be provided for the central supply line in the IT network.
  • the step-up converter also known as a boost converter or step-up converter, is a form of DC-DC converter in electronics.
  • the magnitude of the output voltage is always greater than the magnitude of the input voltage. This means that the DC voltage level at the DC voltage output can be flexibly adjusted to the specified high voltage on the central DC supply line.
  • the use of a step-up converter can be particularly advantageous in combination with a PV generator as a power supply source, whereby the PV direct voltage is increased so that the predetermined high voltage is provided at the direct voltage output for feeding into the central supply line.
  • the step-up converter is preferably designed as a controllable step-up converter with a DC voltage output, via which a predetermined high voltage on the central supply line with an output voltage above 1.5 kV, in particular above 10 kV, can be provided in the IT network.
  • the controllable step-up converter is particularly preferably designed so that a direct voltage can be provided at a high voltage level of 10 kV to 110 kV, preferably 30 kV to 60 kV.
  • the power supply source has a wind turbine as a power generator, to which a rectifier with a DC voltage output is connected, the DC voltage output being designed for the high voltage in the central DC high-performance line.
  • connection or a direct current connection and supply of the electrolysis system by a wind energy or photovoltaic system is achieved in the electrolysis system via the central DC supply line designed as an IT network, with operationally reliable island network operation being achieved particularly advantageously.
  • the network frequency of the public power grid of 50 Hz to 60 Hz is therefore irrelevant for the design and operation of the electrical components in the DC-operated IT network.
  • Mains frequency-independent operation is achieved with the central supply line designed as a DC bus, which is part of the isolated DC high-performance line.
  • the DC output of the rectifier can directly provide the high voltage.
  • a controllable step-up converter to be connected downstream of the rectifier, the DC voltage output of which supplies a predetermined high voltage on the DC high-power line.
  • the isolated DC network it is therefore advantageously possible to overcome larger distances and cable paths between the power generators and the electrolysis systems in a cost-effective manner if necessary, without further AC conversion having to carry out a step-up and step-down transformation, which can only be accomplished using several and expensive transformers.
  • smaller distances and compact electrolysis systems are more advantageous in an IT network in terms of ensuring better symmetry of the network poles and lower voltages due to the smaller spatial distances of the protective grounding of the housings of the equipment, such as the tower of the wind turbine and the process technology unit Electrolysis plant.
  • all conductive components that are not part of the operating circuit are grounded either individually or together, or if necessary, the components are grounded. connected together with the protective earthing of the system. If the network has a small spatial extent, the leakage currents in the event of a fault are so small that they are harmless, which is why a smaller spatial extent and compact installation of the DC high-performance line is generally preferable.
  • an electrolysis system is arranged in the electrolysis system at the foot of the tower of a wind turbine and is connected directly to the central supply line for direct current as an operating resource in the IT network. It is particularly important if... For remote on-shore wind turbines, it is advantageous to connect an electrolysis system near the wind turbine to the central insulated DC BUS line of the insulated DC high-performance line in the electrolysis system. If DC/DC converters are then preferably used, the supply line is designed and loaded with a high DC voltage, so that the use of materials, in particular copper and aluminum, is reduced and the manufacturing costs are correspondingly reduced.
  • the electrolysis system preferably has a number of electrolysis modules connected in series, so that a row of modules is formed.
  • each of the electrolysis modules can be both physically and functionally a structural unit be in which a large number of electrolytic cells are stacked. Thanks to the modular concept of the electrolysis system, a row of modules can be easily expanded into an electrolysis stack comprising several modules, for example 5 to 10 modules for a row of modules.
  • a switchable, electrically conductive ground connection with a predetermined ground resistance is provided in a row of modules, by means of which stray currents can be controlled.
  • This provides a protective ground on the housing, which is attached to the housing of a module, for example on the last module in a row of modules facing away from the electrical connection to the central insulated DC supply line.
  • the protective grounding can also be designed as a grounded structure on the housing of the power supply source, for example on the tower of a wind turbine.
  • the switchable, electrically conductive earth connection allows a discharge to be carried out in a simple manner, for example for maintenance purposes on the isolated network, in particular on the DC high-performance line.
  • the protective earth line is preferably provided on the last module in a row of modules, with a defined resistance for the earth connection being adjustable. This is useful for adjusting and minimizing damaging stray currents that arise on the process technology unit.
  • the respective tap of the protective earth line on a module of a module series can be flexibly adjusted depending on the DC voltage with regard to the DC voltage and its polarity at the DC voltage output.
  • the DC voltage output of a rectifier used for example, outputs a DC voltage of +500 V and 0 V on both poles, then grounding via the protective earth line is preferably carried out on the last module, since the voltage to earth there is then almost 0 V.
  • the electrolysis system has at least two electrolysis systems which are connected in parallel to one another with respect to the central supply line, with an electrolysis system being connected to the central supply line via a respective connection line.
  • the isolated DC network can therefore be easily expanded, with additional electrolysis systems being connected and supplied to the central DC supply line. It is also optionally possible for two or more central supply lines to be present in the electrolysis system, depending on the required transmission power of the DC high-performance line, to which a respective electrolysis system with a respective row of modules is connected. All rows of modules are then optionally grounded with a protective earth, in particular a common one.
  • An electrolysis system has at least at least one row of modules, for example two rows of modules can be connected in parallel in an electrolysis system. However, it is also possible for an electrolysis system to have only one row of modules, with a large number of electrolysis modules connected electrically in series.
  • the electrolysis systems are preferably connected in parallel to one another with respect to the central supply line, with an electrolysis system being connected to the central supply line via a respective connection line.
  • the central DC supply network can be flexibly expanded if necessary and can be expanded to include additional electrolysis systems, possibly by adjusting the feed power of the power supply sources feeding into the isolated DC network with regard to an output power to be provided for the operation of the electrolyzers.
  • the power supply source has a photovoltaic system as a power generator, the DC voltage output of which is designed for high voltage, the DC voltage output being connected to the central supply line.
  • step-up converters so-called step-up converters, are connected downstream of the PV generator to set the specified DC voltage level at the DC voltage output. This will be necessary if the DC output of the photovoltaic system itself does not provide a sufficiently high DC voltage level to feed into the central supply line.
  • an advantageous connection or connection is possible in the electrolysis system via the central and isolated DC network on the supply line. Connection and supply of the electrolysis system with electricity obtained from a photovoltaic system is achieved. An island grid operation based on photovoltaics is possible, with corrosion effects caused by stray currents in the IT system being avoided or eliminated. are reduced.
  • an island network operates independently of the public network frequency, which enables particularly high design flexibility and self-sufficient application options away from the public power network.
  • the network frequency of the public power grid of 50 Hz to 60 Hz is therefore irrelevant for the design and operation of the electrical components within the DC network.
  • a step-up converter (DC/DC converter) must be provided to increase the voltage of the PV generator if necessary, in order to ensure that direct current with the specified high voltage is precisely fed into the central supply line.
  • a step-up converter can also be used in a wind turbine as a power supply source after the rectifier, if necessary. To set a higher voltage level on the central supply line than that provided by the rectifier at the DC voltage output.
  • the power supply source preferably has a water power plant with a generator as a power generator, with a rectifier with a DC voltage output being connected to the generator.
  • all operating components from the generator of the water power plant to the electrolysis system are not grounded, i.e. H . are designed to be unearthed as components of the IT network.
  • the hydroelectric plant's generator is not grounded. This makes it possible and advantageous for a hydroelectric power plant to use a generator that outputs a higher frequency than the mains frequency directly at the generator output.
  • the generator of the hydroelectric power plant can therefore advantageously be designed to match the frequency of the alternating voltage input of the rectifier.
  • a frequency-adapted coupling for example using expensive and large transformers, is therefore not necessary or eliminated in the central DC network.
  • the electrolysis system is located in the immediate vicinity of the generator and the direct current output of the rectifier of the hydroelectric power plant and is integrated into the IT network via the DC high-performance strand, i.e. the equipment is installed unearthed and is operated in isolation.
  • Another particularly preferred aspect of the invention relates to the use of an isolated DC network in the electrolysis system described, in which an electrolysis system is connected to a central supply line for direct current, so that a central DC high-performance line designed for the direct voltage and insulated from ground is provided, with electrolysis direct current being fed into the electrolysis system.
  • the use is therefore such that, starting from the generator of the power supply source, the entire DC high-performance string up to the electrolysis system with the electrolysers including the modules and the process technology is operated in one and the same IT network.
  • an output voltage above 1.5 kV, in particular above 10 kV, is preferably provided on the central supply line at the DC voltage output.
  • 1 shows an electrolysis system designed for island grid operation with an electrolysis system and a wind turbine;
  • FIG 2 shows an electrolysis system designed for off-grid operation with several rows of modules.
  • the electrolysis system 10 includes an electrolysis system 1 and a power supply source 3.
  • the power supply source 3 has a wind turbine 9 as a power generator, which serves as a renewable energy system (RE system) and a source for green electricity.
  • the power supply source 3 is connected to the electrolysis system 1 via a central supply line 5.
  • the electrolysis system 1 functionally comprises, in a simplified representation, an electrolysis unit 21 with a large number of electrolysis cells - not shown in detail in FIG instead, i.e. the electrochemical decomposition of water as a starting material into hydrogen and oxygen as products.
  • the process technology unit 23 is used to hydraulically interconnect the cell elements of a stack to supply fresh electrolyte, here the educt water.
  • the hydraulic connection is designed in parallel with the electrical connection.
  • the hydraulic connection of the cell elements to form a stack therefore creates additional and undesirable electrically conductive connections between all cell elements.
  • the supply of the electrolysis system 10 with electrolysis direct current takes place directly via a central supply line 5, which is subjected to a high direct voltage, and therefore a central DC BUS line is formed by the central supply line 5, by means of which the electrolysis system 10 of the electrolysis system 1 directly a direct current can be supplied for the electrolysis process.
  • the wind turbine 9 On the side of the power supply source 3, the wind turbine 9 is followed by a rectifier 11 on the output side of a generator, which has a direct voltage output 7.
  • a rectifier 11 On the side of the power supply source 3, the wind turbine 9 is followed by a rectifier 11 on the output side of a generator, which has a direct voltage output 7.
  • an alternating current generated by the generator of the wind turbine 9 can be fed into a direct current at a predetermined high voltage at the direct voltage output 7 into the central supply line 5.
  • no further active components, such as transformers, are required when connecting the wind turbine 19 to the central supply line 5, so that a particularly simple supply topology for electrolysis is realized.
  • the connection topology illustrated in FIG. 1 provides a central DC high-performance strand in the electrolysis system 10, which is designed as part of a network 17 that is isolated from earth, a so-called IT network ("isole terre").
  • IT network isole terre
  • the entire DC is -High-performance strand is unearthed.
  • All operating resources, ie the power supply source 3, in this case the generator of the wind turbine 9, the rectifier 11, the central DC supply line 5, up to the electrolysis system 1 comprising the electrolysis unit 21 and the process technology unit 23, are connected via one high insulation resistance to earth and components of the IT network 17.
  • a protective earth 19 is attached to the conductive housing parts that are not part of the operating equipment.
  • the tower of the wind turbine 9 can be designed as a grounded structure with a protective earth 19.
  • a protective earth 19 is also provided on the side of the electrolysis system 1, which is attached to the housing of the process technology unit 23 and is routed to earth as a ground cable.
  • an electrically conductive ground connection is not created at any point in the electrolysis system 10 - if necessary locally in the electrolysis system itself to control the residual stray currents that still exist.
  • This ground connection can be switched on or controlled if necessary.
  • the ungrounded supply topology avoids ground loops and significantly reduces the stray current to ground throughout the system.
  • an insulation monitor 25A is provided in the insulated network 17, which is arranged near the wind turbine 9.
  • Another insulation monitor 25B is placed near the electrolysis system 1. This arrangement of the insulation monitors 25A, 25B creates two spatially spaced network poles that serve as measuring points. The insulation monitor 25A, 25B thereby detect possible ground faults, asymmetries and insufficient insulation resistance of the isolated network 17.
  • the insulation monitor 25A. 25B measures the symmetry of the voltages of both network poles against earth. If the leakage currents of the two network poles are the same, symmetry is maintained.
  • a test signal can be fed asymmetrically into the network via the insulation monitor 25A, 25B; in the simple case, a direct voltage and the reaction of the network 17 can be measured. A minimum insulation resistance of the isolated network 17 is therefore monitored, an insulation fault can be detected and a ground fault can be localized. Symmetrical and high-resistance grounding can simultaneously be implemented via the two network poles of the paired insulation monitors 25A, 25B.
  • the DC high-performance line in the isolated network 17 is at an electrically undefined potential with respect to earth with all conductors of the equipment.
  • the insulation monitors 25A, 25B is intended as a protective element. In the event of a simple ground fault, the electrolysis system 10 can continue to be operated since there is no immediate danger to the electrolysis system 1, which increases availability.
  • the IT network 17 is fail-safe.
  • the DC voltage level at the DC voltage output 7 of the rectifier 11 can be flexibly adapted to the respective requirements in the electrolysis system 10, with a high output voltage being selected as the predetermined high voltage, which is preferably greater than 1.5 kV.
  • the nominal voltages of the network levels used in energy transmission can also be used, or these values can serve as reference points for the DC voltage level.
  • Electrical energy is transmitted to high-voltage lines in various medium-voltage and high-voltage network levels with the following common nominal voltages: medium voltage of 3 kV, 6 kV, 10 kV, 15 kV, 20 kV, 30 kV, high voltage of 60 kV, 110 kV.
  • the central supply line 5 acts very advantageously as a central DC BUS line, which directly enables a high-voltage-based direct current supply to an electrolysis system 1.
  • the electrolysis system 1 can be arranged in the electrolysis system 10 at the foot of the tower of the wind turbine 9 and as an operating resource in the IT network 17 directly to the central one Supply line 5 must be connected for direct current.
  • FIG. 10 An alternative connection of the DC high-performance line with a central supply line 5 is shown in FIG.
  • the alternating current is converted into direct current in the rectifier 11.
  • the electrolysis systems 1A, 1B take place here via respective connection lines 15A, 15B.
  • the connecting lines 15A, 15B form the central DC bus line or the DC high-performance line of the central supply line 5.
  • an electrolysis system 1A is connected to a DC voltage output 7 and, accordingly, a further electrolysis system 1B is connected in parallel via the connecting line 15B connected to the connecting line 15A to a further DC voltage output 7 of the rectifier 11.
  • the electrolysis systems 1A, 1B each have a row of modules 13, which includes a number of electrolysis modules connected electrically in series. Each of the modules in a module row 13 has a large number of electrolysis cells electrically connected in series.
  • a switchable earth connection 19 is provided locally as a protective earth on housing parts of the equipment of the electrolysis system 1A, 1B.
  • the equipment itself is at a potential relative to earth.
  • the local ground connection of the housing parts is attached as a conductive connection to the last module of a respective module row 13.
  • the conductive earth connection 19 has a predetermined low earthing resistance, which means that stray currents can be controlled and diverted and optimized.
  • the conductive ground connection 19 can have an adjustable resistance. This additional measure means that corrosion caused by any stray currents that may still be present can be avoided or further reduced via the advantageous island network operation.
  • the conductive ground connection 19 is made at the two DC voltage outputs 7 of the rectifier 11 in a module within the module row 13. This can be flexibly adapted to the respective DC voltage levels at the DC voltage output 7 and the electrical engineering design of the system concept of the electrolysis system 10. Depending on the topology, grounding can therefore also take place in the middle of a row of modules 13. In the event that the rectifier 11 outputs a symmetrical voltage at the DC voltage output 7, for example values of +/- 250 V at the DC voltage output 7, this would be appropriate and advantageous.
  • This ground connection 19 can also be designed as a fixed connection, i.e. it does not necessarily have to be switchable, but also simply as a fixed ground connection 19.
  • the buck converter (step-down converter) converts an input voltage into a lower output voltage. It is also called low setting steeper.
  • any number of electrolysis systems 1A of any size can advantageously be installed using controllable DC/DC converters, in particular so-called controllable step-down converters or step-down converters , 1B can be connected with individually adaptable module rows 13 and operated in an island network designed as an isolated DC network 17.
  • both the electrolysis systems 1A, 1B can be regulated with regard to the electrolysis power and can be switched on and off as necessary.
  • a partial load capability or partial load control is achieved by regulating the electrolysis current.
  • island network capability in the isolated DC network is ensured and expanded, which brings significant cost advantages for remote on-shore systems or off-shore systems.
  • several DC/DC converters can be connected in parallel and used in a connecting line 15A, 15B.
  • a step-down converter for example, an adjustable step-down converter with regulation of the output voltage via the converter can be used. driving pulse width modulation in non-intermittent operation. In this way, continuous operation of the step-down converter is achieved and the electrolysis current supplied to the electrolysis systems 1A, 1B can be regulated.
  • the power supply source 3 can have a photovoltaic system with a large number of PV modules, not shown in detail.
  • the photovoltaic system for example, can be designed as a large-scale and powerful open-field system - preferably in sunny regions - so that PV output of 10 MW of electrical power and beyond is available for electrolysis.
  • Other types of electricity generation from renewable sources are also possible.
  • the use of transformers is largely eliminated compared to an AC-based supply.
  • the use of materials and installation space due to the weight and size of the transformers required for an AC network connection can be significantly reduced as a result of the design and definition of a central high-voltage direct current supply network. This reduces the use of materials, especially iron and copper, which in turn requires less installation space.
  • an electrical connection or the electrical connection of preferably on-shore wind turbines to electrolysis systems in an isolated DC network 17 is achieved particularly advantageously and cost-effectively, which is generally set up in a spatially limited manner.
  • the insulation monitors 25A, 25B also provide precautions for secure IT network operation, particularly with regard to second-order errors, ie to be able to detect symmetrical insulation errors on both network poles.
  • a possible first ground fault is harmless in the IT network 17 because the currents caused only by line capacities and insulation resistances of the equipment of the electrolysis system 10 are small. If the spatial extent of the network 17 is small, the leakage currents in the event of a fault are so small that they are harmless.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Elektrolysesystem (10) umfassend eine Elektrolyseanlage (1, 1A, 1B) und eine Stromversorgungsquelle (3) mit einem Gleichspannungsausgang (7) und eine zentrale Versorgungsleitung (5), wobei die zentrale Versorgungsleitung (5) an den Gleichspannungsausgang (7) der Stromversorgungsquelle (3) angeschlossen ist, so dass ein Gleich strom in die zentrale Versorgungsleitung (5) einspeisbar ist, wobei ein auf die Gleichspannung ausgelegter zentraler DC-Hochleistungsstrang bereitgestellt ist, an den die Elektrolyseanlage (1) über die zentrale Versorgungsleitung (5) angeschlossen ist, wobei zumindest die Stromversorgungsquelle (3) und der DC-Hochleistungsstrang als ein gegenüber Erde isoliertes Netz (17) ausgestaltet sind. Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung eines isolierten DC-Netzes (17) in einem Elektrolysesystem (1).

Description

Beschreibung
Elektrolyse system
Die Erfindung betrifft ein Elektrolysesystem, umfas send mindestens eine Elektrolyseanlage sowie eine Stromversorgungsquelle mit einem Gleichspannungsausgang und eine zentrale Versorgungsleitung . Die Erfindung betrifft weiterhin eine Verwendung .
Bei der Elektrolyse können durch Einprägen eines elektrischen Stroms durch geeignete Zellelemente Redoxreaktionen erzwungen werden , die mit Stof f Umwandlungen verbunden sind . Eine Vorrichtung zu diesem Zweck wird Elektrolyseur genannt und kann zur Erzeugung wichtiger Grundstoffe der chemis chen Industrie eingesetzt werden . Vielfach sind Anoden- und Kathoden- Halbräume mittels Diaphragmen (bzw . Membranen ) getrennt , die elektrische Leitfähigkeit ( Ionen- und/oder Protonen- Austausch ) ermöglichen , j edoch Stof f austausch verhindern . Wenn in Elektrolyseuren flüs sige Ele ktrolyte eingesetzt werden , die durch die Stof f Umwandlung verändert bzw . verbraucht werden , können die se durch entsprechende Zuleitungen und Ableitungen während des Prozes ses fortlaufend erneuert werden . Den Stof f Umwandlungsraten sind für gegebene Zellelemente in der Regel enge Grenzen aufgrund von Stromdichtelimitierungen gegeben . Für den großtechnis chen Einsatz mus s daher zur Erhöhung der Stof f Umwandlungsraten die a ktive Zellelementfläche erhöht werden . Die s kann durch Vergrößerung der Zellelemente oder durch den gleichzeitigen Betrieb einer Mehrzahl von kleineren Zellelementen erreicht werden . Eine technisch sinnvolle und häufig angewendete Methode ist die Anordnung von vielen ( gleichen ) Zellelementen zu einem Stapel . Die elektrische Verbindung der Zellelemente eines Stapels stellt dabei eine Reihenschaltung dar , d . h . die Anode eines Zellelements N wird mit der Kathode de s Zellelement s N+l und die Kathode de s Zellelements N wird mit der Anode de s Zellelements N-l elektrisch leitend verbunden . Durch die Reihenschaltung wird zudem die geringe Zellelementspannung von wenigen Volt auf bspw. mehrere hundert Volt vervielfacht.
Die hydraulische Verschaltung der Zellelemente eines Stapels zur Versorgung mit frischen Elektrolyten stellt hingegen eine Parallelschaltung dar. Durch die hydraulische Verschaltung der Zellelemente zu einem Stapel werden zusätzliche und unerwünschte elektrisch leitfähige Verbindungen zwischen allen Zellelementen geschaffen. Beim Betrieb des Stapels von Zellelementen, d.h. dem Anlegen einer elektrischen Spannung bzw. dem Einprägen eines elektrischen Stromes vom ersten zum letzten Zellelement fließt ein elektrischer Arbeitsstrom durch alle Zellelemente hindurch: Jedoch auf den verschiedenen parallelen Strompfaden fließen zusätzlich unerwünschte sogenannte elektrische Streuströme. Diese elektrischen Streuströme führen insbesondere an dem ersten und letzten Zellelement eines Stapels zu lokalen Stromdichtüberhöhungen nahe an den Zuleitungen und Ableitungen der Elektrolyten. Dies kann zur vorzeitigen Alterung und Zerstörung der Membranen und zum Ausfall des gesamten Stapels führen.
In der DE 10 2020 206 341 Al ist ein Verfahren zum Korrosionsschutz eines Elektrolysestack umfassend mehrere Zellstapel respektive Module beschrieben sowie ein entsprechender Elektrolysestack. Das Verfahren ist insbesondere für einen zuverlässigen Korrosionsschutz einer C02-Elektrolyse in einem Stillstandbetrieb oder zu Transportzwecken des Elektrolysestacks .
Großes wirtschaftliches Interesse und Entwicklungsanstrengungen liegen bei der elektrolytischen Erzeugung von Wasserstoff als Produkt einer elektrochemischen Zerlegung von Wasser als Ausgangsstoff im industriellen Maßstab. Heutzutage wird Wasserstoff beispielsweise mittels einer Proton Exchange Membrane ( PEM) -Elektrolyse , einer Anion Exchange Membrane oder einer alkalischen Elektrolyse aus Wasser erzeugt. Die Elektrolyseanlagen produzieren mit Hilfe elektrischer Energie Wasserstoff und Sauerstoff aus dem zugeführten Wasser. Es finden aber auch Elektrolyseanlagen basierend auf alkalischer Elektrolyse vielfach Anwendung.
Aktuelle Überlegungen gehen dahin, mit überschüssiger Energie aus erneuerbaren Energiequellen in Zeiten mit viel Sonne und viel Wind, also mit überdurchschnittlicher Solarstrom- oder Windkrafterzeugung, Wertstoffe zu erzeugen. Ein Wertstoff kann insbesondere Wasserstoff sein, welcher durch entsprechende Wasser-Elektrolyseanlagen erzeugt wird. Auf Basis von Wasserstoff kann beispielsweise sogenanntes Erneuerbare- Energien-Gas - auch als EE-Gas bezeichnet, hergestellt werden. Ein EE-Gas ist ein brennbares Gas, welches mit Hilfe elektrischer Energie aus erneuerbaren Quellen gewonnen wird.
Eine Quelle für erneuerbare Energien ergibt sich aus der zunehmenden Windkraftnutzung. Insbesondere mit küstennahen, sogenannten Of f shore-Windenergieanlagen lassen sich große elektrische Leistungen realisieren. Herausfordernd ist allerdings, dass eine große Distanz zu den Verbrauchern zu überwinden ist. Die Energie sollte also möglichst verlustfrei zum Verbraucher transportiert werden. Als Transportmedium und Energieträger eignet sich sehr gut Wasserstoff. Dieser kann zum Beispiel durch Pipelines in gasförmiger Form transportiert werden. Ein positiver Nebenaspekt hierbei ist, dass eine Wasserstoff-führende Pipeline gleichzeitig die Funktion eines Energiespeichers erfüllen kann, da der innere Druck in gewisssen Grenzen variiert werden kann.
Aus diesen Überlegungen heraus ist es von besonderem wirtschaftlichen Interesse, den Wasserstoff direkt am Ort der Energiegewinnung, also autark und unabhängig vom öffentlichen Netz, zu produzieren. Hierzu ist vorgeschlagen, die Elektrolyseanlagen auf Of f shore-Plattf ormen im maritimen Bereich direkt an Of f shore-Windenergieanlagen oder in deren unmittelbarer Nähe zu installieren und mit dem erzeugten Windstrom elektrisch direkt durch eine Windeenergieanlage zu versorgen und das Elektrolysesystem in einem so genannten Inselnetz zu betreiben, welches netzunabhängig vom öffentlichen Netz ist. Auch für das Festland wurden solche Konzepte vorschlagen , den Strom aus Onshore-Windenergieanlagen oder auch Fotovoltaikanlagen zumindest teilweise durch eine direkte Anbindung an und Einspeisung in eine Elektrolyseanlage unmittelbar für eine Was serstoff erzeugung zu nut zen . In all diesen autarken Anwendungen i st die Ele ktrolyseanlage Teil eines so genannten Inselnetzes . Der Elektrolyse strom wird in diesem Elektrolysesystem al so regelmäßig nicht aus dem öffentlichen Netz bezogen , sondern in einem Verbund direkt von einer Windenergieanlage oder einer PV-Anlage geliefert über eine Versorgungsleitung in einen Elektrolyseur der Elektrolyseanlage eingespeist . Dabei kann möglicherweise noch eine Zwis chenspeicherung der von einer Windenergieanlage oder eine PV-Anlage erzeugten ele ktris chen Energie beispielsweise in einer Batterie erfolgen .
Im Gegensatz zu dem oben erwähnten netzgeführten Betrieb bringt der Inselnetzbetrieb j eweils besondere Herausforderungen und Probleme des Ele ktrolysesystems hinsichtlich der elektrotechnis chen Anbindung und Vers chaltung der Elektrolyseanlage mit der j eweiligen EE-Erzeugungsanlage mit sich , sei es eine Windenergieanlage oder eine Fotovoltaikanlage , insbesondere um einen sicheren und vor allem störungsfreien Betrieb der Ele ktrolyseanlage in einem unmittelbaren Anlagenverbund mit der EE-Erzeugungsanlage zu gewährlei sten .
Eine hierbei besonders zu berücksichtigende Problematik ist , das s bei einem ein integriertes und autarkes Inselnetz bildendes Elektrolyse system, bei den darin angeschlos senen Elektrolyseanlagen die Was serstoff elektrolysezellen - von den Modulen ausgehend - ent sprechende elektri sche Streuströme gegen Erde ausbilden . Die se Streuströme fließen über die Prozes swas serleitungen und führen an diesen - auch bei aus reichenden I solations strecken - zu unerwünschten Korrosions schäden . Dabei werden Metallionen in das Prozes swa s ser abgegeben , die insbe sondere an den ( PEM) -Membranen zu irrevers iblen Schädigungen , bzw . einer bes chleunigten Alterung führen . In Anwendungen sowohl einer PEM-Ele ktrolyse als auch bei alkalischen Ele ktrolysesystemen reduzieren diese Streuströme zudem den Wirkungsgrad . Die Korros ionseffe kte durch Streuströme sind daher so weit wie möglich zu reduzieren .
Eine Reduzierung der elektri schen Streuströme kann beispielweise durch eine Erhöhung der elektrischen Widerstände der Zuleitungen und Ableitungen der Elektrolyte erreicht werden . Die bisherige Lösung sieht vor , die Zuleitungen und Ableitungen zu verlängern , womit sich bei gleichbleibenden Querschnittsf lächen eine Widerstandserhöhung ergibt . Die Leitungsverlängerungen führen j edoch nachteilig zu erhöhten Strömungswiderständen und erhöhtem Materialbedarf zur Fertigung und entsprechenden Mehrkosten für die Errichtung . Dies ist besonders problematisch gerade in abgelegenen Auf stellungsorten einer Elektrolyseanlage in einem dann notwendigen oder erwünschten Inselnetzbetrieb , also in Situationen , wo eine Anbindung der Elektrolyseanlage an das öf fentliche Stromnetz technisch oder wirtschaftlich nicht oder nur mit erheblichem Aufwand möglich wäre .
Es besteht al so ein erhöhter Bedarf daran , kostengünstige Wege auf zuzeigen , wie hier Abhilfe bei der Korrosionsproblematik geschaffen werden kann , um die Betriebs zeiten eines Elektrolysesystems bei Ausge staltung als Inselnetz zu verbes sern .
Es i st daher die Aufgabe der Erf indung ein Ele ktrolysesystem anzugeben , da s für einen net zunabhängigen Betrieb , insbesondere im Verbund mit einer Windenergieanlage oder mit einer Solaranlage , ausgelegt ist und welches dabei eine geringe Korrosionsneigung durch Streuströme aufweist .
Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Elektrolysesystem umfas send eine Elektrolyseanlage und eine Stromversorgungsquelle mit einem Gleichspannungsausgang und umfas send eine zentrale Versorgungsleitung , wobei die zentrale Versorgungsleitung an den Gleichspannungsausgang der Stromversorgungsquelle angeschlossen ist, so dass ein Gleichstrom in die zentrale Versorgungsleitung einspeisbar ist, wobei ein auf die Gleichspannung ausgelegter zentraler DC- Hochleistungs sträng bereitgestellt ist, an den die Elektrolyseanlage über die zentrale Versorgungsleitung angeschlossen ist, wobei die Stromversorgungsquelle und der DC- Hochleistungs sträng als Komponenten eines gegenüber Erde isoliertes Netzes ausgestaltet sind.
Die Erfindung geht dabei bereits von der Erkenntnis aus, dass in einem Elektrolysesystem mit Anbindung und Versorgung durch das öffentliche Wechselstromnetz mit einem Transformator eine galvanische Trennung erzielt ist und der Hochstrom- Elektrolysestromkreis daher bereits als isoliertes Netz betrieben oder an einem Punkt an den Modulen geerdet werden kann. Allein dadurch, dass es für den Streustrom durch die Prozesstechnik der Elektrolyseanlage keinen guten elektrischen Rückleiter ergibt, bzw. keine Erdschleife gebildet wird, wird der Strom reduziert.
Soll Elektrolyse jedoch in einem Inselnetz betrieben werden, beispielsweise als Elektrolysesystem umfassend eine Offshore- Windenergieanlage ausgeführt, oder auch On-Shore in entlegenen Landstichen, oder als Solaranlage, ist kein Wechselspannungsnetz vorhanden oder in der Nähe, mit dem ein Transformator zur galvanischen Entkopplung betrieben werden könnte. In diesen Aufstellungssituationen einer Elektrolyseanlage wäre es unwirtschaftlich, eigens einen Wechselspannungs- Zwischenkreis für einen Transformator zu errichten. Dies würde zu hohen zusätzlichen Gestehungskosten und Betriebskosten führen. Daher wäre diese Ausgestaltung und Anlehnung an das öffentliche Stromnetz für den Betrieb eines Elektrolysesystems in einem Inselnetz nachteilig.
Um für ein Inselnetz, d.h. für einen netzunabhängigen Betrieb, eines Elektrolysesystems neben dem Anschluss- und Übertragungsproblem, die Korrosionsproblematik möglichst ef- fizient und vor allem betriebssicher zu reduzieren, schlägt die Erfindung die Anbindung bzw. Integration der Elektrolyseanlage an ein dafür eigens eingerichtetes zentrales DC-Netz vor, welches erdfrei ausgeführt ist. Dabei ist durch den zentralen DC-Hochleistungsstrang und allen daran angeschlossenen Betriebskomponenten ein so genanntes IT-Netz (IT: isole terre) gebildet. Die das IT-Netz des Elektrolysesystems bildenden Betriebskomponenten, wie beispielsweise der Stromerzeuger oder Generator der Stromversorgungsquelle, die zentrale Versorgungsleitung und die Elektrolyseanlage sind dabei sämtlich erdfrei ausgeführt. Die die Betriebsspannung liefernde Stromversorgungsquelle ist somit gegen Erde isoliert, d.h. daher im Allgemeinen offen oder über eine symmetrische und hochohmige Erdung des Elektrolysesystems ausgeführt. Es besteht im Normalbetrieb daher keine niederohmige Verbindung zwischen den aktiven Teilen des IT-Netzes und Erde bzw. Schutzleiter. Der zentrale DC-Hochleistungsstrang ist dabei Teil des gesamten IT-Netzes, wobei das IT-Netz auch die daran angeschlossenen Betriebskomponenten des Elektrolysesystems umfasst, wie etwa die Stromversorgungsquelle mit dem Gleichspannungsausgang und die Elektrolyseanlage.
Mit dem Konzept der Erfindung geht es mithin darum, schon vom Generator aus den gesamten Versorgungsstrang inklusive des bereitgestellten DC-Hochleistungsstrangs und der Elektrolyseanlage als IT-Netz auszugestalten und zu betreiben, um die korrodierenden Streuströme in der Elektrolyse zu vermeiden. Gegenüber einem netzgeführten Betrieb kann vorteilhafterweise auf einen AC-Zwischenkreis zur galvanischen Entkopplung verzichtet werden. Mit dem vorgeschlagenen Elektrolysesystem ist somit ein isolierter DC-Hochleistungsstrang in einem Elektrolysesystem realisiert, so dass ein Inselnetzbetrieb bei Anschluss der Elektrolyseanlage mit einer Erneuerbaren-Energie- Anlage (EE-Anlage) , wie etwa eine Windenergieanlage oder eine Fotovoltaanlage, an die zentrale DC-Versorgungsleitung möglich ist. Durch die Einsparung der galvanischen Entkopplung im zentralen Hochleistungsstrang ist die Lösung deutlich kompakter, leichter und günstiger. Der Hochleistungsstrang be- findet sich in diesem Fall mit allen Leitern auf einem elektrisch Undefinierten Potential gegen Erde.
Das von dem isolierten Hochleistungs sträng des Elektrolysesystems gebildete DC-Netz stellt die vorgegebene Hochspannung und elektrische Gleichstromleistung auf der zentralen Versorgungsleitung bereit und fungiert als Übertragungs- und Verteilnetz für den Gleichstrom. Über das zentrale und erdfreie DC-Netz wird die erforderliche Übertragungsleistung von der Stromversorgungsquelle zu der Elektrolyseanlage gebracht, so dass der Elektrolyse-Gleichstrom zur Verfügung steht. Die Hochspannung des DC-Netzes ist dabei flexibel auf einen erforderlichen Gleichspannungs-Anschlusswert wählbar und einstellbar. Zugleich sind durch die Vermeidung bzw. Reduzierung von elektrischen Streuströmen, insbesondere durch die Prozesstechnik der Elektrolyseanlage die Korrosionseffekte verringert und damit Wartung- und Servicekosten reduziert. Eine Erhöhung der Betriebszeit ist durch das Elektrolysesystem der Erfindung weiter begünstigt.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung des Elektrolysesystems weist dieses einen Isolationswächter aus, so dass ein minimaler Isolationswiderstand des isolierten Netzes gegenüber Erde überwachbar ist und ein Isolationsfehler detektierbar .
Der Isolationswiderstand ist bevorzugt hochohmig, so dass eine hochohmige Erdung auf einen vorgegebenen Mindest- Isolationswiderstand ausgelegt ist, der im Betrieb nicht unterschritten werden darf. Hierzu ist ein Isolationswächter vorgesehen, der als Schutzelement dient, und mit dem der Isolationswiderstand überwachbar bzw. anzeigbar ist, so dass Alarmsignale gegeben und Maßnahmen getroffen werden können.
Die Verwendung des isolierten DC-Netzes macht den Einsatz eines Isolationswächters als Schutzelement sehr vorteilhaft.
Bei einem einfachen Erdschluss kann das Elektrolysesystem weiter betrieben werden, insbesondere die Elektrolyseure der Elektrolyseanlage, da keine unmittelbare Gefährdung entsteht, was die Verfügbarkeit erhöht.
Der Isolationswächter oder auch Isolationsüberwachungsgerät überwacht den Isolationszustand des IT-Netzes, beispielsweise lokale Niederspannungsnetze ohne betriebsmäßig geerdeten Sternpunkt. Er meldet die Unterschreitung eines minimalen Isolationswiderstandes. Früher wurde dazu lediglich eine Strom- oder Spannungsmessung gegen Erde durchgeführt (Symmetrieabweichung) , heute ist jedoch gefordert, dass auch symmetrische Isolationsfehler zuverlässig erkannt werden, was zusätzlich einen Prüfstrom erfordert. Im Fehlerfall, bei Überschreitung des Isolationsfehlerstromes, kann entweder nur eine Warnung abgegeben oder auch eine Abschaltung des betreffenden Netzabganges durchgeführt werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist der Isolationswächter Ein- Fehler-tolerant ausgeführt, dass also ein einfacher Fehler (einpoliger Erdschluss) nicht zu einem Ausfall der Stromversorgung oder des betreffenden Abganges in dem Elektrolysesystem führt. Auf diese Weise ist die Stromversorgungsquelle bzw. deren Abgänge in dem isolierten IT-Gleichspannungsnetz wirksam geschützt.
Ein erster Erdschluss ist in dem IT-Netz deswegen unschädlich, weil die lediglich durch Leitungskapazitäten und Isolationswiderstände des Elektrolysesystems und deren Betriebsmittel hervorgerufenen Ströme klein sind. Bei kleiner räumlicher Ausdehnung des Elektrolysesystems bzw. des durch dieses gebildeten IT-Netzes sind die Ableitströme im Fehlerfall so klein, dass sie auch ungefährlich sind.
Vorteilhafterweise erkennt der Isolationswächter Erdschlüsse, Unsymmetrien und zu geringe Isolationswiderstände des IT- Netzes. Er misst hierzu die Symmetrie der Spannungen beider Netzpole gegen Erde. Sind die Ableitströme der beiden Netzpole gleich, bleibt die Symmetrie erhalten. Im Betrieb wird ein Hochspannungs-Gleichstrom mit einer vorgegebenen Hochspannung deutlich oberhalb der üblichen Netzspannung an den Anschlüssen der zentralen Versorgungsleitung bereitgestellt. Somit sind in dem IT-Netz die Elektrolyseure der an die zentrale DC-Bus-Leitung angeschlossenen Elektrolyseanlage zentral über ein Gleichstromnetz individuell versorgbar .
Vorzugsweise weist die Stromversorgungsquelle daher einen Aufwärtswandler mit einem Gleichspannungsausgang auf, mittels dessen eine vorgegebene Hochspannung für die zentrale Versorgungsleitung in dem IT-Netz bereitstellbar ist.
Der Aufwärtswandler, auch Hochsetzsteller oder Aufwärtsregler, englisch Boost-Converter oder Step-Up-Converter , ist in der Elektronik eine Form eines Gleichspannungswandlers. Der Betrag der Ausgangsspannung ist stets größer als der Betrag der Eingangsspannung. Damit kann das Gleichspannungsniveau am Gleichspannungsausgang flexibel an die vorgegebene Hochspannung auf der zentralen DC-Versorgungsleitung angepasst werden. Die Verwendung eines Hochsetzstellers kann insbesondere in Zusammenschaltung mit einem PV-Generator als Stromversorgungsquelle vorteilhaft sein, wobei die PV-Gleichspannung hochgesetzt wird, so dass am Gleichspannungsausgang die vorgegebene Hochspannung für die Einspeisung in die zentrale Versorgungsleitung bereitgestellt ist.
Bevorzugt ist der Aufwärtswandler als ein regelbarer Aufwärtswandler ausgeführt mit einem Gleichspannungsausgang, über den in dem IT-Netz eine vorgegebene Hochspannung auf der zentralen Versorgungsleitung mit einer Ausgangsspannung oberhalb 1,5 kV, insbesondere oberhalb 10 kV, bereitstellbar ist.
Besonders bevorzugt ist der regelbare Aufwärtswandler so ausgelegt, dass eine Gleichspannung bei einem Hochspannungsniveau von 10 kV bis 110 kV, vorzugsweise 30 kV bis 60 kV, bereitstellbar ist. In bevorzugter Ausgestaltung des Elektrolysesystems weist die Stromversorgungsquelle als Stromerzeuger eine Windenergieanlage auf, an die ein Gleichrichter mit einem Gleichspannungsausgang angeschlossen ist, wobei der Gleichspannungsausgang auf die Hochspannung im zentralen DC-Hochleistungsstrang ausgelegt ist.
Auf diese Weise ist in dem Elektrolysesystem über die zentrale als IT-Netz ausgeführte DC-Versorgungsleitung eine Anbindung bzw. ein Gleichstromanschluss und Versorgung der Elektrolyseanlage durch eine Windenergie- oder Fotovoltaikanlage erreicht, wobei ein betriebssicherer Inselnetzbetrieb besonders vorteilhaft erreicht ist. Wird das Elektrolysesystem in einem Inselnetz betrieben, so erfolgt keine Anbindung an das öffentliche Stromnetz. Somit ist die Netzfrequenz des öffentlichen Stromnetzes von 50 Hz bis 60 Hz unbeachtlich für die Auslegung und den Betrieb der elektrischen Komponenten im gleichstrombetriebenen IT-Netz. Insbesondere entfallen Kosten für Komponenten und Umwandlungsverluste , beispielsweise Transformatoren, oder für die erforderliche Umrichtung, Übertragung oder erneute Gleichrichtung. Hierdurch kann sich zukünftig eine günstigere Kostenposition ergeben, bei gleichzeitiger Flexibilität im Betrieb oder etwa bei der Auslegung und Auswahl der Anschlusskomponenten im DC-Netz. Ein netzfrequenzunabhängiger Betrieb ist mit der als DC-Bus ausgestalteten zentralen Versorgungsleitung erzielt, die Teil des isolierten DC-Hochleistungsstrangs ist. Je nach Auslegung des DC-Hochleistungsstrang als IT-Netz kann der Gleichspannungsausgang des Gleichrichters bereits direkt die Hochspannung bereitstellen . Es ist aber auch möglich, dass ein regelbarer Aufwärtswandler dem Gleichrichter nachgeschaltet ist, dessen Gleichspannungsausgang eine vorgegebene Hochspannung auf dem DC-Hochleistungsstrang liefert.
Durch das isolierte DC-Netz ist es somit vorteilhaft möglich, in kostengünstiger Weise bei Bedarf auch größere Abstände und Leitungswege zwischen den Stromerzeugern und den Elektrolyseanlagen zu überwinden, ohne eine erneute AC-Umwandlung für eine Hoch- und Abwärtstransformation durchführen zu müs sen , die nur mittels mehrerer und teurer Trans formatoren zu bewerkstelligen ist . Kleinere Abstände und kompa kte Elektrolysesysteme sind bei einem IT-Netz aber vorteilhafter hinsichtlich der Gewährlei stung einer be s seren Symmetrie der Netzpole und geringerer Spannungen aufgrund geringerer räumlicher Abstände der Schutzerdung der Gehäuse der Betriebsmittel , wie etwa der Turm der Windenergieanlage und der Prozes stechnikeinheit der Elektrolyseanlage . Insbe sondere werden alle leitfähigen , aber nicht zum Betriebs stromkrei s gehörenden Komponenten entweder einzeln oder gemeinsam geerdet , oder die Komponenten werden ggf . gemeinsam mit der Schutzerdung des Systems verbunden Bei kleiner räumlicher Ausdehnung de s Netzes sind die Ableitströme im Fehlerfall so klein , das s sie auch ungefährlich sind, weshalb generell eine kleinere räumliche Ausdehnung und kompakte Auf stellung des DC-Hochleistungs- strangs zu bevorzugen i st .
Vorzugsweise ist in dem Elektrolysesystem eine Elektrolyseanlage am Fuß des Turms einer Windenergieanlage angeordnet und als Betriebsmittel in dem IT-Net z direkt an die zentrale Versorgungsleitung für Gleichstrom ange schlos sen . Es i st insbesondere bei ggf . entlegenen On-shore Windenergieanlagen vorteilhaft in dem Elektrolysesystem eine Elektrolyseanlage in der Nähe der Windenergieanlage an die zentrale isolierte DC- BUS-Leitung des isolierten DC-Hochleistungs strangs anzuschließen . Wenn dann bevorzugt DC/DC-Wandler eingesetzt verwendet werden , ist die Versorgungsleitung mit einer hohen Gleichspannung ausgeführt und belastet , so das s Materialeinsatz , wie insbesondere Kupfer und Aluminium verringert und die Herstellungs kosten entsprechend gesenkt sind .
Bevorzugt wei st in dem Elektrolysesystem die Elektrolyseanlage eine Anzahl von in Serie geschalteten Elektrolysemodulen auf , so das s eine Modulreihe gebildet ist .
Jede s der Ele ktrolysemodule kann dabei in vorteilhafter Ausführung sowohl körperlich al s auch funktional eine Baueinheit sein, in der eine Vielzahl von Elektrolysezellen gestapelt sind. Durch das modulare Konzept der Elektrolyseanlage ist eine Modulreihe einfach erweiterbar zu einem Elektrolysestack umfassend mehrere Module, beispielsweise 5 bis 10 Module für eine Modulreihe.
Bevorzugt ist in einer Modulreihe eine zuschaltbare, elektrisch leitfähige Erdverbindung mit einem vorgegebenen Erdungswiderstand vorgesehen, mittels derer eine Steuerung von Streuströmen durchführbar ist.
Dadurch ist eine Schutzerdung am Gehäuse bereitgestellt, die am Gehäuse eines Moduls angebracht ist, beispielsweise an dem vom elektrischen Anschluss an die zentrale isolierte DC- Versorgungsleitung betrachtet, abgewandten letzten Modul einer Modulreihe. Die Schutzerdung kann zusätzlich als geerdete Struktur am Gehäuse der Stromversorgungsquelle, beispielsweise am Turm einer Windenergieanlage, ausgeführt sein. Somit ist optional auch eine Zweipunkt-Schutzerddung in dem Elektrolysesystem realisiert, was im Zusammenspiel mit dem Isolationswächter Vorteile bringt. Zudem ist durch die zuschaltbare, elektrisch leitende Erdverbindung eine Entladung beispielsweise für Wartungszwecke an dem isolierten Netz, insbesondere an dem DC-Hochleistungsstrang, auf einfache Weise möglich .
Somit sind residuale Streuströme und Erdschleifen vermieden. Vorzugsweise ist dabei die Schutzerdleitung an dem letzten Modul einer Modulreihe vorgesehen, wobei ein definierter Widerstand für Erdverbindung einstellbar ist. Dies ist zur Einstellung und Minimierung von schädigenden Streuströmen günstig, die an der Prozesstechnikeinheit entstehen. Der jeweilige Abgriff der Schutzerdleitung an einem Modul einer Modulreihe ist aber je nach Gleichspannung flexibel anpassbar hinsichtlich der Gleichspannung und deren Polarität an dem Gleichspannungsausgang.
Wenn als Gleichspannungsausgang eines verwendeten Gleichrich- ters beispielsweise eine Gleichspannung von +250 V und -250 V auf beiden Polen ausgibt, so erfolgt vorteilhaft die Erdung über die Schutzerdleitung in der Mitte der Elektrolysereihe, wo die Spannung ohnehin nahezu 0 V ist.
Wenn der Gleichspannungsausgang eines verwendeten Gleichrichters aber beispielsweise eine Gleichspanung +500 V und 0 V auf beiden Polen ausgibt, dann erfolgt die Erdung über die Schutzerdleitung bevorzugt am letzten Modul, da dann dort die Spannung gegen Erde nahezu 0 V ist.
Einer noch bestehenden Streustromproblematik infolge der hydraulischen Verschaltung der Zellelemente eines Stapels zur Versorgung mit frischem Elektrolyten, wird dadurch zusätzlich begegnet in Kombination mit der IT-Netz Ausführung aller Betriebsmittel. Durch die hydraulische Verschaltung der Zellelemente zu einem Stapel sind zusätzliche und unerwünschte elektrisch leitfähige Verbindungen und Streuströme zwischen allen Zellelementen geschaffen, die zu Korrosionseffekten führen .
In besonders bevorzugter Ausgestaltung des Elektrolysesystems weist dieses mindestens zwei Elektrolyseanlagen auf, die bezüglich der zentralen Versorgungsleitung parallel zueinander geschaltet sind, wobei eine Elektrolyseanlage über eine jeweilige Anschlussleitung an die zentrale Versorgungsleitung angeschlossen ist.
Das isolierte DC-Netz ist somit einfach erweiterbar, wobei an die zentrale DC-Versorgungsleitung weitere Elektrolyseanlagen angeschlossen und versorgt werden können. Es ist dabei auch optional möglich, dass je nach erforderlicher Übertragungsleistung des DC-Hochleistungsstrangs auch zwei oder mehrere zentrale Versorgungsleitungen in dem Elektrolysesystem vorhanden sind, an die eine jeweilige Elektrolyseanlage mit einer jeweiligen Modulreihe angeschlossen ist. Alle Modulreihen sind dann optional mit einer, insbesondere gemeinsamen, Schutzerde geerdet. Eine Elektrolyseanlage weist dabei min- destens eine Modulreihe auf, beispielsweise können in einer Elektrolyseanlage zwei Modulreihen parallelgeschaltet sein. Es ist aber auch möglich, dass eine Elektrolyseanlage nur genau eine Modulreihe aufweist, mit einer Vielzahl elektrisch hintereinander geschalteter Elektrolysemodule.
In dem Elektrolysesystem sind die Elektrolyseanlagen bezüglich der zentralen Versorgungsleitung bevorzugt parallel zueinander geschaltet, wobei eine Elektrolyseanlage über eine jeweilige Anschlussleitung an die zentrale Versorgungsleitung angeschlossen ist.
Hierdurch kommen die Vorteile des DC-Bus Prinzips mit der zentralen und isolierten Gleichstrom-Versorgungsleitung zur Geltung, welches eine jeweilige unabhängige Anschlussleitung für eine Elektrolyseanlage ermöglicht und diese auch vorsieht. In dem Elektrolysesystem ist das zentrale DC- Versorgungsnetz bedarfsweise flexibel ausbaufähig und um weitere Elektrolyseanlagen erweiterbar, eventuell unter Anpassung der Einspeiseleistung der in das isolierte DC-Netz einspeisenden Stromversorgungsquellen hinsichtlich einer bereitzustellenden Abnahmeleistung für den Betrieb der Elektrolyseure .
In bevorzugter Ausgestaltung des Elektrolysesystems weist die Stromversorgungsquelle als Stromerzeuger eine Fotovoltaikanlage auf, deren Gleichspannungsausgang auf die Hochspannung ausgelegt ist, wobei der Gleichspannungsausgang an die zentrale Versorgungsleitung angeschlossen ist.
Damit kann das Gleichspannungsniveau am Gleichspannungsausgang flexibel an die vorgegebene Hochspannung auf der zentralen DC-Versorgungsleitung angepasst werden. Bedarfsweise sind zur Einstellung des vorgegebenen Gleichspannungsniveaus am Gleichspannungsausgang Aufwärtswandler, so genannte Hochsetzsteller dem PV-Generator nachgeschaltet. Dies wird dann geboten sein, wenn der DC-Ausgang der Fotovoltaikanlage selbst kein ausreichend hohes Gleichspannungsniveau zur Einspeisung in die zentrale Versorgungsleitung liefert .
Mit dieser Ausgestaltung ist in dem Elektrolysesystem über das zentrale und i solierte DC-Netz auf der Versorgungsleitung eine vorteilhafte Anbindung bzw . Ans chlus s und Versorgung der Elektrolyseanlage mit aus einer eine Fotovoltaikanlage gewonnenem Strom erreicht . Dabei ist ein Inselnetzbetrieb ba sierend auf Fotovoltaik möglich , wobei Korrosionseffekte durch Streuströme in dem IT-System vermieden bzw . reduziert s ind . In analoger Betrachtung und entsprechend der Vorteile wie bei dem oben beschriebenen Anschlus s der Elektrolyseanlage an eine Windenergieanlage , erfolgt in einem Inselnetz ein von der öffentlichen Netzf requenz unabhängiger Betrieb , was besonders große Aus legungsflexibilität ermöglicht und autarke Einsatzmöglichkeiten abseits des öf fentlichen Stromnetzes . Somit ist die Netzf requenz des öf fentlichen Stromnetzes von 50 Hz bis 60 Hz unbeachtlich für die Auslegung und den Betrieb der elektrischen Komponenten innerhalb des DC-Netzes . Hier ist allenfall s für eine bedarf sweise Spannungserhöhung des PV- Generators ein Hochsetz steiler ( DC/DC-Wandler ) vorzusehen , um die pas sgenaue Einspeisung von Gleichstrom mit der vorgegebenen Hochspannung in die zentrale Versorgungsleitung zu bewirken . Ein Hochsetz steller kann bedarf sweise auch bei einer Windenergieanlage als Stromversorgungsquelle eingesetzt werden nach dem Gleichrichter , um ggf . eine höhere Spannungsebene auf der zentralen Versorgungs leitung einzustellen , als sie der Gleichrichter am Gleichspannungsausgang liefert .
Vorzugsweise weist in dem Elektrolysesystem die Stromversorgungsquelle als Stromerzeuger eine Was serkraftanlage mit einem Generator auf , wobei an den Generator ein Gleichrichter mit einem Gleichspannungsausgang angeschlos sen ist . Auch in dieser Ausgestaltung sind dann alle Betriebs komponenten vom Generator der Was serkraftanlage bis zur Elektrolyseanlage nicht geerdet , d . h . als Komponenten des IT-Net zes erdfrei ausgeführt , werden . Insbesondere ist der Generator der Wasserkraftanlage nicht geerdet . Damit ist es möglich und vorteilhaft, dass bei einer Wasserkraftanlage ein Generator zum Einsatz kommt, der bereits unmittelbar am Generatorausgang eine höhere Frequenz als die Netzfrequenz ausgibt. Somit kann der Generator der Wasserkraftanlage etwa vorteilhaft auf die Frequenz des Wechselspannungseingangs des Gleichrichters ausgelegt werden. Umgekehrt ist auch eine Anpassung und Auswahl des Gleichrichters an die jeweiligen Ausgangsfrequenz des Generators der Wasserkraftanlage flexibel möglich. Aus dieser geringeren Komplexität und Komponentenzahl können sich bei Anbindung an eine Wasserkraftanlage zusätzliche Kostenvorteile ergeben, wobei auch hier ein Inselnetzbetrieb des Elektrolysesystems erreicht ist. Über die Polzahl und die Rotationsgeschwindigkeit ergibt sich die Ausgangsgeschwindigkeit und damit Wechselstromfrequenz des Generators . Insbesondere Generatoren für Wasserkraftanlagen sind daher für einen höherfrequenten Wechselstromausgang verfügbar, so dass in dem Elektrolysesystem ein entsprechender Gleichrichter mit einem auf eine höhere Frequenz ausgelegten Eingang zur Anwendung kommt. Hierdurch ist ein netzunabhängiger Betrieb, d.h. ohne eine notwendige Berücksichtigung der Netzfrequenz des öffentlichen Stromnetzes, sehr vorteilhaft möglich. Eine frequenzangepasste Einkopplung, etwa vermöge teurer und großer Transformatoren, ist bei dem zentralen DC-Netz daher nicht erforderlich bzw. entfällt. Um Leitungswege einzusparen, ist die Elektrolyseanlage in unmittelbarer Nähe des Generators und des Gleichstromausgangs des Gleichrichters der Wasserkraftanlage angeordnet und mit dieser in das IT-Netz über den DC-Hochleistungs sträng integriert, d.h. die Betriebsmittel sind erdfrei aufgestellt und werden isoliert betrieben.
Ein weiterer besonders bevorzugter Aspekt der Erfindung betrifft Verwendung eines isolierten DC-Netzes in dem beschriebenen Elektrolysesystem, bei dem eine Elektrolyseanlage an eine zentrale Versorgungsleitung für Gleichstrom angeschlossen wird, so dass ein auf die Gleichspannung ausgelegter und gegenüber Erde isolierter zentraler DC-Hochleistungsstrang bereitgestellt wird, wobei Elektrolyse-Gleichstrom in die Elektrolyseanlage einge speist wird .
Mithin ist die Verwendung dergestalt , das s ausgehend vom Generator der Stromversorgungsquelle der ge samte DC-Hoch- leistungs sträng bi s zur Elektrolyseanlage mit den Elektrolyseuren inklus ive der Module und der Proze s stechnik in ein und demselben IT-Netz betrieben wird .
Bei der Verwendung wird bevorzugt auf der zentralen Versorgungsleitung an dem Gleichspannungsausgang eine Ausgangs spannung oberhalb 1 , 5 kV, insbesondere oberhalb 10 kV, bereitgestellt .
Besonders bevorzugt wird bei der Verwendung auf der zentralen Versorgungsleitung an dem Gleichspannungsausgang eine Hochspannung von 10 kV bis 110 kV, vorzugswei se 30 kV bis 60 kV, bereitgestellt .
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Elektrolysesys tems der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der ent sprechenden Verwendung anzusehen und umgekehrt .
Weitere Vorteile , Merkmale und Einzelheiten der Erf indung ergeben sich aus der nachfolgenden Bes chreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung . Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmal s kombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den einzelnen Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmals kombinationen s ind nicht nur in der j eweil s angegebenen Kombination , sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar , ohne den Rahmen der Erfindung zu verlas sen .
Ausführungsbeispiele der Erf indung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert . Hierin zeigen schematisch und stark vereinfacht : FIG 1 ein für einen Inselnetzbetrieb ausgelegtes Elektrolysesystem mit einer Elektrolyseanlage und einer Windenergieanlage;
FIG 2 ein für einen Inselnetzbetrieb ausgelegtes Elektrolysesystem mit mehreren Modulreihen.
Gleiche Bezugszeichen haben in den Figuren die gleiche Bedeutung .
In FIG 1 ist ein Elektrolysesystem 10 gemäß der Erfindung dargestellt. Das Elektrolysesystem 10 umfasst eine Elektrolyseanlage 1 und eine Stromversorgungsquelle 3. Die Stromversorgungsquelle 3 weist als Stromerzeuger eine Windenergieanlage 9 auf, die als Erneuerbare-Energie-Anlage (EE-Anlage) und Quelle für grünen Strom dient. In dem Elektrolysesystem 10 ist die Stromversorgungsquelle 3 über eine zentrale Versorgungsleitung 5 mit der Elektrolyseanlage 1 verbunden. Die Elektrolyseanlage 1 umfasst funktional in vereinfachter Darstellung eine Elektrolyseeinheit 21 mit einer Vielzahl von - in FIG 1 nicht näher gezeigten - in axialer Richtung gestapelter und elektrisch in Serie geschalteter Elektrolysezellen, sowie eine Prozesstechnikeinheit 23. In der Elektrolyseeinheit 21 findet in den Elektrolysezellen die eigentliche Umwandlungsreaktion statt, d.h. die elektrochemische Zerlegung von Wasser als Edukt in Wasserstoff und Sauerstoff als Produkte. Die Prozesstechnikeinheit 23 dient der hydraulischen Verschaltung der Zellelemente eines Stapels zur Versorgung mit frischem Elektrolyten, hier mit dem Edukt-Wasser.
Die hydraulische Verschaltung ist gegenüber der elektrischen Verschaltung in einer Parallelschaltung ausgeführt. Durch die hydraulische Verschaltung der Zellelemente zu einem Stapel werden daher zusätzliche und unerwünschte elektrisch leitfähige Verbindungen zwischen allen Zellelementen geschaffen. Beim Betrieb des Stapels von Zellelementen, d.h. dem Anlegen einer elektrischen Spannung bzw. dem Einprägen eines elektri- sehen Stromes vom ersten zum letzten Zellelement fließt ein elektrischer Arbeitsstrom durch alle Zellelemente hindurch.
Die Versorgung des Elektrolysesystems 10 mit Elektrolyse- Gleichstrom erfolgt unmittelbar über eine zentrale Versorgungsleitung 5, die mit einer hohen Gleichspannung beaufschlagt ist, mithin ist durch die zentrale Versorgungsleitung 5 eine zentrale DC-BUS-Leitung gebildet, mittels derer im Elektrolysesystem 10 der Elektrolyseanlage 1 direkt ein Gleichstrom für den Elektrolyseprozess zuführbar ist.
Auf Seiten der Stromversorgungsquelle 3 ist der Windenergieanlage 9 ausgangsseitig eines Generators, ein Gleichrichter 11 nachgeschaltet, der einen Gleichspannungsausgang 7 aufweist. Somit kann ein durch den Generator der Windenergieanlage 9 erzeugter Wechselstrom in einen Gleichstrom bei einer vorgegebenen Hochspannung am Gleichspannungsausgang 7 in die zentrale Versorgungsleitung 5 eingespeist werden. Hierdurch ist ein auf eine Hochspannung ausgelegtes zentrales DC-Netz realisiert. Zur Einkopplung der durch die Windenergieanlage 9 erzeugten und in den Gleichrichter 11 einspeisten Leistung sind beim Anschluss der Windenergieanlage 19 an die zentralen Versorgungsleitung 5 keine weiteren aktiven Komponenten, wie Transformatoren erforderlich, so dass eine besonders einfache Versorgungstopologie für die Elektrolyse realisiert ist.
Durch die in FIG 1 veranschaulichte Anschlusstopologie ist in dem Elektrolysesystem 10 ein zentraler DC-Hochleistungs sträng bereitgestellt, der als Bestandteil eines gegenüber Erde isolierten Netzes 17 ausgebildet ist, ein so genanntes IT-Netz („isole terre") . Dabei ist der gesamte DC-Hochleistungs sträng erdfrei gestellt. Auch sämtliche Betriebsmittel, d.h. die Stromversorgungsquelle 3, vorliegend der Generator der Windenergieanlage 9, der Gleichrichter 11, die zentrale DC- Versorgungsleitung 5, bis hin zur Elektrolyseanlage 1 umfassend die Elektrolyseeinheit 21 und die Prozesstechnikeinheit 23, sind über einen hohen Isolationswiderstand gegenüber Erde isoliert und Bestandteile des IT-Netzes 17. Im Betrieb des Elektrolysesystems 10 wird dieses gegenüber Erde elektrisch isoliert betrieben. An den nicht zu den Betriebsmitteln gehörenden leitfähigen Gehäuseteilen ist eine Schutzerde 19 angebracht. So kann der Turm der Windenergieanlage 9 als geerdete Struktur ausgeführt sein mit einer Schutzerde 19. Ebenso ist auf Seiten der Elektrolyseanlage 1 eine Schutzerde 19 vorgesehen, die am Gehäuse der Prozesstechnikeinheit 23 angebracht und als Erdungskabel gegen Erde geführt ist.
Es wird folglich an keiner Stelle in dem Elektrolysesystem 10 - bedarfsweise allenfalls noch lokal in der Elektrolyseanlage selbst zur Steuerung der noch existierenden residualen Streuströme - eine elektrisch leitende Erdverbindung geschaffen. Diese Erdverbindung ist bedarfsweise zuschaltbar oder steuerbar ausgeführt. Durch die erdfreie Versorgungstopologie werden Erdschleifen vermieden und der Streustrom gegen Erde in der ganzen Anlage erheblich reduziert.
Zur Überwachung des hohen Isolationswiderstands des Elektrolysesystems 10 gegenüber Erde ist in dem isolierten Netz 17 ein Isolationswächter 25A vorgesehen, der in der Nähe der Windenergieanlage 9 angeordnet ist. Ein weiterer Isolationswächter 25B ist in der Nähe der Elektrolyseanlage 1 platziert. Durch diese Anordnung der Isolationswächter 25A, 25B sind zwei räumlich beabstandete Netzpole realisiert, die als Messpunkte dienen. Der Isolationswächter 25A, 25B erkennen dadurch mögliche Erdschlüsse, Unsymmetrien und zu geringe Isolationswiderstände des isolierten Netzes 17. Der Isolationswächter 25A. 25B misst hierzu die Symmetrie der Spannungen beider Netzpole gegen Erde. Sind die Ableitströme der beiden Netzpole gleich, bleibt die Symmetrie erhalten. Um auch symmetrische Isolationsfehler erkennen zu können, kann über den Isolationswächter 25A, 25B ein Prüfsignal asymmetrisch ins Netz eingespeist werden, im einfachen Fall eine Gleichspannung und die Reaktion des Netzes 17 gemessen werden. Somit ist ein minimaler Isolationswiderstand des isolierten Netzes 17 überwacht, ein Isolationsfehler ist detektierbar und ein Erdschluss lokalisierbar. Symmetrische und hochohmige Erdung kann zugleich über die zwei Netzpole der paarweisen Isolationswächter 25A, 25B realisiert sein.
Durch die Einsparung der galvanischen Entkopplung in dem isolierten Netz 17, speziell für die Versorgung der zentralen Versorgungsleitung 5 mit Gleichstrom, ist eine kompaktere, leichter zu realisierende und sehr günstige Versorgungstopo- logie geschaffen, bei hohem Schutz hinsichtlich Streuströmen und damit einhergehender nachteiliger Korrosionseffekte. Der DC-Hochleistungsstrang in dem isolierten Netz 17 befindet sich in diesem Fall mit allen Leitern der Betriebsmittel auf einem elektrisch Undefinierten Potential gegen Erde. Für die betriebssichere Ausgestaltung als isoliertes Netz 17 ist der Einsatz der Isolationswächter 25A, 25B als Schutzelement vorgesehen. Bei einem einfachen Erdschluss kann das Elektrolysesystem 10 weiter betrieben werden, da keine unmittelbare Gefährdung der Elektrolyseanlage 1 entsteht, was die Verfügbarkeit erhöht. Das IT-Netz 17 ist einfehlsicher.
Das Gleichspannungsniveau am Gleichspannungsausgang 7 des Gleichrichters 11 ist flexibel an die jeweilige Anforderung in dem Elektrolysesystem 10 anpassbar, wobei eine hohe Ausgangsspannung als vorgegebene Hochspannung gewählt wird, die bevorzugt größer als 1,5 kV ist. Hier kann bei der Auslegung und Ausgestaltung des zentralen und isolierten DC-Netzes 17 durch die zentrale Versorgungsleitung 5 beispielsweise auch auf die Nennspannungen der in der Energieübertragung gebräuchlichen Netzebenen zurückgegriffen werden, oder diese Werte können als Anhaltspunkte für das Gleichspannungsniveau dienen. Hierbei wird elektrische Energie auf Hochspannungsleitungen in verschiedenen Netzebenen der Mittelspannung und Hochspannung mit folgenden üblichen Nennspannungen übertragen: Mittelspannung von 3 kV, 6 kV, 10 kV, 15 kV, 20 kV, 30 kV, Hochspannung von 60 kV, 110 kV. Die zentrale Versorgungsleitung 5 wirkt dabei sehr vorteilhaft als zentrale DC-BUS- Leitung, durch die unmittelbar eine hochspannungsbasierte Gleichstromversorgung eines Elektrolysesystems 1 ermöglicht ist . Für eine besonders kompakte, d.h. räumlich begrenzte Bauweise und für entsprechend geringe Leitungsabstände in dem isolierten Netz 17, kann in dem Elektrolysesystem 10 die Elektrolyseanlage 1 am Fuß des Turms der Windenergieanlage 9 angeordnet sein und als Betriebsmittel in dem IT-Netz 17 direkt an die zentrale Versorgungsleitung 5 für Gleichstrom angeschlossen sein.
In einem weiteren stark vereinfachten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Elektrolysesystems 10 ist in FIG 2 eine alternative Verschaltung des DC-Hochleistungsstrangs mit einer zentralen Versorgungsleitung 5 gezeigt. Als Stromversorgungsquelle 3 zur Bereitstellung von Gleichstrom für die Elektrolyse ist wiederum eine Windenergieanlage 9 gezeigt, die einen Generator mit einem Wechselstromausgang aufweist. Der Wechselstrom wird in dem Gleichrichter 11 in Gleichstrom umgewandelt .
Auf Seiten des Elektrolysesystems 10 ist ein in den Grundzügen ähnliches Anlagenkonzept wie in FIG 1 angewendet und entsprechende Anlagenkomponenten sind vorgesehen, wobei sämtliche Betriebsmittel in einem isolierten und mit Gleichstrom betreibbaren Netz 17 umfassend den DC-Hochleistungs sträng errichtet und elektrisch geschaltet sind. Die elektrische Anbindung und Versorgung der Elektrolyseanlagen 1A, 1B erfolgt hier über jeweilige Anschlussleitungen 15A, 15B. Die Anschlussleitungen 15A, 15B bilden als Leitungspaar die zentrale DC-Bus-Leitung bzw. den DC-Hochleistungsstrang der zentralen Versorgungsleitung 5. Um dies zu erreichen, ist eine Elektrolyseanlage 1A an einen Gleichspannungsausgang 7 und entsprechend eine weitere Elektrolyseanlage 1B über die Anschlussleitung 15B parallel zu der Anschlussleitung 15A an einen weiteren Gleichspannungsausgang 7 des Gleichrichters 11 angeschlossen. Die Elektrolyseanlagen 1A, 1B weisen jeweils eine Modulreihe 13 auf, die eine Anzahl von elektrisch in Serie geschaltete Elektrolysemodule umfasst. Jedes der Module in einer Modulreihe 13 weist eine Vielzahl von elektrisch in Serie geschalteter Elektrolysezellen auf.
Eine zuschaltbare Erdverbindung 19 ist lokal als Schutzerde an Gehäuseteilen der Betriebsmittel der Elektrolyseanlage 1A, 1B vorgesehen. Die Betriebsmittel selbst befinden sich auf einem Potenzial gegenüber Erde. Die lokale Erdverbindung der Gehäuseteile ist als leitfähige Verbindung am letzten Modul einer jeweiligen Modulreihe 13 angebracht. Die leitfähige Erdverbindung 19 weist einen vorgegebenen geringen Erdungswiderstand aus, womit eine Steuerung und Ableitung von Streuströmen durchführbar und optimierbar ist. Hierzu kann die leitfähige Erdverbindung 19 einen regelbaren Widerstand aufweisen. Durch diese Zusatzmaßnahme ist über den vorteilhaften Inselnetzbetrieb eine Korrosion durch noch ggf. vorhandene Streuströme vermieden bzw. weiter reduzierbar.
Es ist alternativ auch möglich, dass je nach Spannungswert und Polarität an den beiden Gleichspannungsausgängen 7 des Gleichrichter 11 die leitfähige Erdverbindung 19 bei einem Modul innerhalb der Modulreihe 13 erfolgt. Dies ist flexibel anpassbar an den jeweilige Gleichspannungsniveaus am Gleichspannungsausgang 7 und elektrotechnische Auslegung des Anlagenkonzept des Elektrolysesystems 10. Je nach Topologie kann die Erdung daher auch gerade in der Mitte einer Modulreihe 13 erfolgen. Für den Fall etwa, dass der Gleichrichter 11 eine symmetrische Spannung am Gleichspannungsausgang 7 ausgibt, also beispielsweise Werte von +/- 250 V an dem Gleichspannungsausgang 7, wäre dies entsprechend vorzusehen und vorteilhaft. Diese Erdverbindung 19 kann auch feste Verbindung ausgestaltet sein, d.h. sie muss nicht zwingend zuschaltbar sein, sondern auch als einfach als feste Erdverbindung 19.
Es ist bedarfsweise möglich, dass zur Anpassung der Spannungsebene in eine Anschlussleitung 15A, 15B ein - in den FIG 1 und FIG 2 nicht näher gezeigter - Abwärtswandler geschaltet ist, dessen Eingangsspannung der DC-Hochspannung im zentralen DC-Netz entspricht und dessen Ausgangsspannung auf eine je- weilige Betriebsspannung der Elektrolyseanlage 1A, 1B ausgelegt ist. Somit ist eine angepasste Fahrweise des Elektrolysesystems 10 möglich und eine individuelle Gleichspannungsversorgung einer jeweiligen Elektrolyseanlage 1A, 1B eingerichtet. Der Einsatz von ggf . mehreren in eine Anschlussleitung 15A, 15B parallelgeschalteten und modular ausgeführten Hochstrom-DC/DC-Wandler ist dabei besonders vorteilhaft.
Hierdurch ist eine industrielle Anwendung und Integration in einem Elektrolysesystem 10 ermöglicht. Der Abwärtswandler (englisch: buck-converter, step-down-converter) wandelt eine Eingangsspannung in eine niedrigere Ausgangsspannung. Er wird auch Tief setz steiler genannt.
An einem oder mehreren solcher zentralen DC-Abzweigsträngen in dem isolierten DC-Netz 17 bzw. den Anschlussleitungen 15A, 15B können somit vorteilhafterweise mittels regelbarer DC/DC- Wandler, insbesondere so genannte regelbare Tief setzsteiler oder Abwärtswandler, beliebig viele und beliebig dimensionierte Elektrolyseanlagen 1A, 1B mit individuell anpassbaren Modulreihen 13 angeschlossen werden und in einem als isoliertes DC-Netz 17 ausgeführten Inselnetz betrieben werden.
Die DC/DC-Wandler senken die DC-Spannung ohne nennenswerte Umwandlungsverluste individuell auf die gewünschten Werte ab. Somit sind in dem Elektrolysesystem 10 sowohl die Elektrolyseanlagen 1A, 1B bezüglich der Elektrolyseleistung regelbar als auch bedarfsweise zu- und abschaltbar. Eine Teillastfähigkeit bzw. Teillastansteuerung ist über die Regelung des Elektrolysestroms erzielt. Durch eine Abstimmung der Leistungsregler wird die Inselnetzfähigkeit in dem isolierten DC- Netz sichergestellt und erweitert, was bei abgelegenen On- Shore-Anlagen oder auch Of f-Shore-Anlagen erhebliche Kostenvorteile bringt. Um höhere Elektrolyseströme bereitzustellen, können bedarfsweise mehrere DC/DC-Wandler parallelgeschaltet und in einer Anschlussleitung 15A, 15B eingesetzt werden. Als Abwärtswandler kann beispielsweise ein regelbarer Tiefsetzsteller mit einer Regelung der Ausgangsspannung über das Ver- fahren einer Pulsweitenmodulation im nichtlückenden Betrieb eingesetzt werden. Auf diese Weise ist ein kontinuierlicher Betrieb des Tiefsetzstellers erreicht und eine Regelbarkeit des den Elektrolyseanlagen 1A, 1B jeweils zugeführten Elektrolysestroms .
Es ist in dem Elektrolysesystem 10 auch möglich, dass die Stromversorgungsquelle 3 eine Fotovoltaikanlage aufweist, mit einer Vielzahl nicht näher dargestellter PV-Modulen. Die Fotovoltaikanlage beispielsweise als großflächige und leistungsfähige Freifeldanlage - bevorzugt in sonnenreichen Regionen - ausgestaltet sein, so dass PV-Leistungen von 10 MW elektrischer Leistung und darüber hinaus für die Elektrolyse zur Verfügung stehen. Auch andere Arten der Stromerzeugung aus erneuerbaren Quellen sind möglich.
Durch den zentralen DC-Hochleistungs sträng des isolierten Netzes 17 entfällt gegenüber einer wechselstrombasierten Versorgung weitestgehend der Einsatz von Transformatoren. Der Material- und Bauraumeinsatz aufgrund Gewichts und Größe von benötigten Transformatoren bei einer AC-Netzanbindung können infolge der Auslegung und Festlegung eines zentralen Hochspannungs-Gleichstrom-Versorgungsnetzes erheblich reduziert werden. Dadurch sinkt der Materialeinsatz vor allem bezüglich Eisen und Kupfer, wodurch wiederum weniger Bauraum benötigt wird .
Mit dem Elektrolysesystem 10 der Erfindung ist besonders vorteilhaft und kostengünstig eine elektrische Anbindung bzw. der elektrische Anschluss von vorzugsweise On-Shore- Windenergieanlagen an Elektrolyseanlagen in einem isolierten DC-Netz 17 erreicht, was im Allgemeinen räumlich begrenzt aufgestellt ist. Dadurch sind mögliche Spannungsdifferenzen über die Netzpole a priori geringer. Über die Isolationswächter 25A, 25B sind zudem Vorkehrungen für einen sicherer IT- Netzbetrieb erreicht, insbesondere hinsichtlich Fehler 2. Ordnung, d.h. um auch symmetrische Isolationsfehler beider Netzpole erkennen zu können. Ein möglicher erster Erdschluss ist in dem IT-Netz 17 deswegen unschädlich, weil die lediglich durch Leitungskapazitäten und I solationswiderstände der Betriebsmittel des Elektrolysesystems 10 hervorgerufenen Ströme klein sind. Bei kleiner räumlicher Ausdehnung des Net- zes 17 sind die Ableitströme im Fehlerfall so klein, dass sie auch ungefährlich sind.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrolysesystem (10) umfassend eine Elektrolyseanlage (1, 1A, 1B) und eine Stromversorgungsquelle (3) mit einem Gleichspannungsausgang (7) und eine zentrale Versorgungsleitung (5) , wobei die zentrale Versorgungsleitung (5) an den Gleichspannungsausgang (7) der Stromversorgungsquelle (3) angeschlossen ist, so dass ein Gleichstrom in die zentrale Versorgungsleitung (5) einspeisbar ist, wobei ein auf die Gleichspannung ausgelegter zentraler DC-Hochleistungsstrang bereitgestellt ist, an den die Elektrolyseanlage (1) über die zentrale Versorgungsleitung (5) angeschlossen ist, wobei die Stromversorgungsquelle (3) und der DC-Hochleistungsstrang als Komponenten eines gegenüber Erde isolierten Netzes (17) ausgestaltet sind.
2. Elektrolysesystem (10) nach Anspruch 1, bei dem ein Isolationswächter (25A, 25B) vorgesehen ist, so dass ein minimaler Isolationswiderstand des isolierten Netzes (17) gegenüber Erde überwachbar und ein Isolationsfehler detektierbar ist.
3. Elektrolysesystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die
Stromversorgungsquelle (3) als Stromerzeuger eine Windener- gieanlage (9) aufweist, an die ein Gleichrichter (11) mit einem Gleichspannungsausgang (7) angeschlossen ist, wobei der Gleichspannungsausgang (7) auf die Hochspannung im zentralen
DC-Hochleistungsstrang ausgelegt ist.
4. Elektrolysesystem (1) nach Anspruch 3, mit einer Elektrolyseanlage (1) , die am Fuß des Turms der Windenergieanlage (9) angeordnet ist, und dort direkt an die zentrale Versorgungsleitung (5) angeschlossen ist.
5. Elektrolysesystem (10) nach einem der vorhergehen Ansprüche, bei der die Elektrolyseanlage (1, 1A, 1B) eine Anzahl von in Serie geschalteten Elektrolysemodulen aufweist, so dass eine Modulreihe (13) gebildet ist.
6. Elektrolysesystem (10) nach Anspruch 5, bei dem in einer Modulreihe (13) eine zuschaltbare elektrisch leitfähige Erdverbindung (19) mit einem vorgegebenen Erdungswider stand vorgesehen ist, mittels derer eine Steuerung von Streuströmen durchführbar ist.
7. Elektrolysesystem (10) nach Anspruch 5, bei dem in einer Modulreihe (13) eine fest installierte elektrisch leitfähige Erdverbindung (19) mit einem vorgegebenen Erdungswiderstand vorgesehen ist, mittels derer eine Steuerung von Streuströmen durchführbar ist.
8. Elektrolysesystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend mindestens zwei Elektrolyseanlagen (1A, 1B) , die bezüglich der zentralen Versorgungsleitung (5) parallel zueinander geschaltet sind, wobei eine Elektrolyseanlage (1A, 1B) über eine jeweilige Anschlussleitung (15A, 15B) an die zentrale Versorgungsleitung (5) angeschlossen ist.
9. Elektrolysesystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Stromversorgungsquelle (3) als Stromerzeuger eine Fotovoltaikanlage aufweist mit einem Gleichspannungsausgang (7) , wobei der Gleichspannungsausgang (7) auf die Hochspannung ausgelegt ist, und wobei der Gleichspannungsausgang (7) an die zentrale Versorgungsleitung (5) angeschlossen ist.
10. Elektrolysesystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Stromversorgungsquelle (3) als Stromerzeuger eine Wasserkraftanlage mit einem Generator aufweist, wobei an den Generator ein Gleichrichter (11) mit einem Gleichspannungsausgang (7) angeschlossen ist.
11. Verwendung eines isolierten DC-Netzes (17) in einem Elektrolysesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Elektrolyseanlage (1, 1A, 1B) an eine zentrale Versorgungsleitung (5) für Gleichstrom angeschlossen wird, so dass ein auf die Gleichspannung ausgelegter und iso- lierter zentraler DC-Hochleistungsstrang bereitgestellt wird, wobei Elektrolyse-Gleichstrom in eine Elektrolyseanlage (1, 1A, 1B) eingespeist wird.
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