WO2024099649A1 - Elektrolysesystem, insbesondere zur atmosphärischen wasserelektrolyse - Google Patents

Elektrolysesystem, insbesondere zur atmosphärischen wasserelektrolyse Download PDF

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WO2024099649A1
WO2024099649A1 PCT/EP2023/077762 EP2023077762W WO2024099649A1 WO 2024099649 A1 WO2024099649 A1 WO 2024099649A1 EP 2023077762 W EP2023077762 W EP 2023077762W WO 2024099649 A1 WO2024099649 A1 WO 2024099649A1
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WO
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electrolysis
pressure
compressors
electrolysis system
line
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PCT/EP2023/077762
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Inventor
Frank Hannemann
Stefan Braun
Yvonne VIEIRA RODRIGUES
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Siemens Energy Global GmbH & Co. KG
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    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C25B9/05—Pressure cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells

Definitions

  • Electrolysis system especially for atmospheric water electrolysis
  • the invention relates to an electrolysis system, in particular for atmospheric water electrolysis, with a plurality of electrolysis plants, each having an electrolyzer.
  • a chemical reaction in particular a redox reaction, is initiated by means of an electric current, whereby electrical energy is converted into chemical energy.
  • the electrical energy required for this is supplied by a direct current source which has two electrical poles, an anode and a cathode.
  • a direct electrical current is conducted through two electrodes, the anode and the cathode, into a conductive electrolyte, for example a conductive liquid.
  • PEM electrolysis proton exchange electrolysis
  • the conduction takes place at least partially through a proton exchange membrane which is permeable to positively charged protons.
  • reaction products of the electrochemical reaction are formed from the substances or elements contained in the electrolyte or liquid through electrolysis, i.e. by conducting the direct current from the direct current source, for example using protons, from one electrode to the other.
  • alkaline electrolyzers are also known and frequently used.
  • the direct current source causes a lack of electrons in the electrode connected to the positive pole, the anode, and an excess of electrons in the electrode connected to the negative pole, the cathode.
  • electroneutral or positively charged substances absorb electrons and are thereby reduced.
  • the release of electrons takes place. rons into the electrode or anode, where the substance or substances are oxidized.
  • a common form of electrolysis is water electrolysis, by means of which water is broken down into hydrogen and oxygen, whereby a simple reaction equation can be 2H 2 0 -> 2H 2 + 0 2 .
  • PEM electrolysis proton exchange electrolysis
  • the polymer electrolyte or more precisely a polymer electrolyte membrane or proton exchange membrane, is responsible for the conduction of protons, the hydrogen ions, the separation of product gases, and the electrical insulation of the electrodes.
  • the product gases produced in low-pressure PEM electrolysis are molecular oxygen 0 2 and molecular hydrogen H 2 from water H 2 0. Due to its solid structure, the polymer electrolyte membrane has a low gas transfer rate, which leads to a very high product gas purity. Maintaining a high gas purity is important for storage safety and the direct use of the product gas, for example in a fuel cell.
  • Water electrolysis using PEM electrolysis is a promising technology for energy storage in conjunction with renewable energy sources due to dynamic reaction times and high levels of efficiency.
  • PEM electrolysis for example, it can store excess electricity in the form of energy when there is a temporary surplus of electricity that exceeds demand, for example in the production of renewable energy.
  • the pressure operation of commercial PEM electrolysers can be divided into pressureless operation (atmospheric operation) and equal and differential pressure.
  • Atmospheric water electrolysis produces hydrogen and oxygen at a slight overpressure and, from today's perspective, represents a preferred solution for achieving high performance flexibility while minimizing costs.
  • a pressure increase by means of a compressor is therefore necessary.
  • a key process step is to mechanically compress the hydrogen to a required storage pressure.
  • the maximum storage pressure depends on the specific application of the electrolysis plant. For example, the use of hydrogen in an industrial plant in conjunction with a nearby electrolysis plant may require a pressure of between 5 and 15 bar, such as in a steelworks. Supplying a pipeline requires pressures of between 50 and 100 bar. Filling station applications require pressure levels of up to 850 bar. For the large-scale storage of hydrogen, pressure accumulators are usually used that can be charged to pressures of up to 200 bar, which can sometimes require very complex and costly investments in the construction and operation of compression systems in an electrolysis system. The further use of hydrogen in chemical processes such as ammonia synthesis requires pressures of between around 150 and 350 bar.
  • An isothermal compression process requires less compressor work than the isentropic process.
  • the specific compressor work from atmospheric pressure to 50 bar is calculated to be around 20 kJ/mol, which is almost 50 percent more than the work required for the isothermal process. This amount of energy corresponds to around 8 percent of the lower calorific value of hydrogen.
  • Due to the heat transfer in real compressors, in practice an atmospheric electrolysis plant for technical applications results in a compressor work between the two limiting cases of isentropic and isothermal.
  • an increasing need to design an adapted compressor system within large-scale electrolysis systems This should be improved from a cost perspective compared to the solutions known to date, while at the same time ensuring the necessary operational flexibility as required for operation on an industrial scale.
  • the object of the present invention is therefore to provide an electrolysis system which combines the requirements of efficient and cost-effective compression with high operational flexibility at high electrolysis capacities.
  • an electrolysis system with a plurality of electrolysis systems, each of which has an electrolyzer with a respective product gas line, by means of which a product gas can be discharged from the electrolysis system, and with a compressor system comprising a pre-compression device with a plurality of pre-compressors, a post-compressor station and a central collecting line, wherein the product gas line is connected on the inlet side to a pre-compressor and the pre-compressors are connected on the outlet side to the central collecting line, and wherein the post-compressor station is connected to the central collecting line.
  • the invention is based on the knowledge that, for larger plant capacities on an industrial scale, the known electrolysis systems cannot easily be scaled up further without incurring considerable disadvantages due to the high compression capacities required, for cost reasons and due to systemic operating requirements.
  • the invention proposes a two-stage compression concept in an atmospheric electrolysis system with several electrolysis plants, which comprises a pre-compression in the pre-compression device and a downstream central post-compression in the post-compression station.
  • the two subsystems are coordinated with each other and work together to achieve the most efficient and cost-effective compression possible with a with high operational flexibility and high availability with high electrolysis outputs of several 100 MW.
  • the technical and functional separation of the pre-compression device and the post-compression station enables decoupling, which favors high flexibility in the selection and design of the respective compressors, especially from a cost perspective.
  • Pre-compressed hydrogen from the pre-compression device can be fed into the central collecting line as product gas from the product gas line, at a predetermined operating pressure of 2 to 20 bar, preferably 8 bar as the outlet pressure from the pre-compression.
  • the central collecting line is therefore designed for the supply and transport and, if necessary, temporary intermediate storage of large gas volumes from the majority of the electrolysis plants connected via a respective product gas line, taking into account the operating pressure of the pre-compressed hydrogen from this first pressure stage of the pre-compression.
  • the electrolysis system proposed here with an adapted, staged compression in the compressor system enables cost-effective pre-compression.
  • the approaches proposed to date for this consist of implementing a pressure-charged electrolysis process, which can already provide a pre-pressure of 8 bar up to 30 bar.
  • pressure-charged electrolysis systems are less flexible in terms of operation and have not yet been designed for system sizes of over 100 MW electrolysis capacity, the invention takes the path of further developing the proven atmospheric electrolysis for large-scale electrolysis systems and demonstrating a technically feasible alternative design to pressure electrolysis.
  • a very advantageous combination of a pre-compression device and a preferably central post-compression station is proposed.
  • the compressors of the pre-compression device serve as low-pressure compressors and are used to pre-compress the hydrogen from the electrolyzers to a predetermined and as constant as possible output pressure, for example 8 bar.
  • one or more electrolysis systems are each assigned a pre-compressor which feeds into a common central collecting line. It is also possible for an electrolysis system to be connected to two different pre-compressors, with two product gas lines from this electrolysis system each connecting to one of the two pre-compressors.
  • electrolysis systems for example two electrolysis systems, can also be connected to one and the same pre-compressor via a respective product gas line, so that hydrogen product gas from two or more electrolyzers can flow into the pre-compressor on its suction side.
  • the central collecting line can also be supplied in parallel by other electrolysis plants via the pre-compressors, so that the electrolysis system can be expanded and scaled for large electrolysis capacities. Due to the majority of pre-compressors in the pre-compression device, the simplest and most cost-effective compressor solutions are chosen for the first compression stage.
  • the central collecting line is fluidically connected to the secondary compressor station via a connecting line, where the pre-compressed hydrogen can be recompressed to a required final pressure, which depends on the respective hydrogen use. In most cases, pressures of 30 bar or more are required.
  • the pre-compressors are designed for approximately atmospheric inlet pressure and the compressor ice
  • the pre-compressor operation is limited to an output pressure of maximum 10 bar.
  • Output pressures between 2 bar and 9 bar are advantageous; 8 bar in particular has proven to be particularly useful when designing large electrolysis systems, for example for pre-compression and at the same time as feed pressure in the central collecting line.
  • This is also the inlet pressure on the suction side of the booster station, so that a more favorable pressure ratio is set for the central booster compression of the large hydrogen volume flows from the collecting line, thus achieving a further increase in efficiency and an associated reduction in costs.
  • This operating window enables particularly efficient and low-loss operation on the hydrogen side for atmospheric electrolysis, and a precise output pressure can be set and maintained.
  • the pre-compressors pre-compressors to be arranged in close proximity to the electrolysis plant so that the route of the respective product gas line is minimized.
  • the post-compressor station can be arranged centrally in close proximity to the pre-compressors or, optionally, at a more distant location that makes sense for the respective application situation.
  • compressors work on the basis of pressure ratios, the pressure loss of the hydrogen line to the compressor is crucial for electrolysis systems with low operating pressure in order to prevent the energy required for compression from increasing disproportionately.
  • the pre-compressors are therefore preferably located in the immediate vicinity of the electrolysis systems, in particular the electrolyzers.
  • a further advantage of the pre-compression concept is the high availability of the selected compressors for pre-compression and the associated possibility of avoiding a complex redundant design - for example two pre-compressors per electrolyzer. system - in the lower pressure range. A multiple redundant design would therefore only be necessary for the downstream booster compressor station.
  • the compressors in the pre-compression device are designed as screw compressors.
  • screw compressors are much simpler in their design, significantly more cost-effective and can compress large amounts of hydrogen.
  • One disadvantage is the occurrence of structurally-related internal leaks, which can lead to a significant drop in efficiency and additional energy consumption as the pressure increases. This is particularly significant for hydrogen compression. It is therefore preferable to limit the compression output of pre-compressors designed as screw compressors to an output pressure of less than 10 bar and to adjust it accordingly. This can be achieved by appropriate structural design of the screw compressor.
  • Screw compressors are characterized by their high resistance to fluctuating operating conditions and thus operational reliability. Their design-related internal compression without free mass forces makes screws flexible long-distance runners with minimal maintenance and comparatively low operating costs in full and partial load operation.
  • the functional principle is based on a main and a secondary rotor, which, through continuous rotation, enclose gas portions from the so-called suction side and push them out against a smaller outlet geometry on the so-called pressure side. While the main rotor generally takes on the function of the drive, the task of the secondary rotor is to form chambers and seal them.
  • screws can be differentiated into oil-free and oil-flooded compression machine types. Both are used in single- or multi-stage concepts in hydrogen applications; however, in different, design-related working ranges, concerning circumferential speed of the rotors, pressure difference and delivery volumes).
  • the booster compressor station is designed as a central booster compressor station and is designed for a final pressure of at least 30 bar. Preferably, it is designed for a final pressure of nominally at least 20 bar, in particular nominally at least 30 bar.
  • a central booster station has the advantage that a single supply line connects from the central collecting line to the booster station at a central connection point, and at the same time a large mass flow of hydrogen gas pre-compressed to the initial pressure can be transferred through this supply line.
  • this has the advantage that the pressure in the supply line increases the hydrogen density in comparison to the product gas line for pre-compression and thus a smaller pipe diameter can be selected, which consequently leads to lower investment and production costs.
  • the combination of pre- and post-compression allows more robust operation of the electrolysis system, since a higher pressure loss is permissible between pre- and post-compression, which in a particularly advantageous design also enables a central booster station to be located a greater distance from the electrolysis system.
  • the secondary compressor station is designed as a piston compressor station with a number of piston compressors.
  • the combination of a screw compressor in the pre-compression device and a downstream central piston compressor station is particularly advantageous.
  • the screw compressors serve as low-pressure compressors and are used for the pre-compression of the hydrogen.
  • one or more Each electrolysis plant is assigned a screw compressor, which feeds into the common central collecting line, which can also be supplied in parallel by other electrolysis plants with screw compressors.
  • the central collecting line is connected to a central piston compressor station, where the recompression takes place to a predetermined final pressure, which depends on the respective hydrogen use.
  • transfer pressures of 30 bar are required for the hydrogen in electrolysis systems and are therefore particularly advantageous for further transport and industrial or energetic use.
  • screw compressors are simpler in their design, much more cost-effective and can compress large amounts of hydrogen.
  • a certain disadvantage of screw compressors is the occurrence of structurally-related internal leaks, which can lead to a significant drop in efficiency and additional energy consumption as the pressure increases. Therefore, limiting the compression power in the pre-compressor in the pre-compression device to less than 10 bar, as proposed here, is advantageous in order to avoid leaks or to keep them as low as possible.
  • the screw compressor is therefore preferably located in close proximity to the electrolysis units.
  • a further advantage of the screw compressor is its high availability and the associated possibility of being able to dispense with a redundant design in the lower pressure range.
  • a redundant design would therefore only be necessary for the downstream piston compressor station should preferably be provided by keeping a corresponding number of piston compressors as redundancy.
  • the invention makes advantageous use of the knowledge that, due to the material properties of hydrogen, piston or diaphragm compressors are predominantly used for this purpose, since the conventional turbo compressors usually used for compression processes would be uneconomical to manufacture due to the high number of stages required.
  • piston compressors on the other hand, the first compression stages, which compress the hydrogen from an atmospheric pressure level of approx. 1 bar to, for example, 7-8 bar, are the dominant factors in terms of size and cost. The higher the inlet pressure selected for the compressor, the lower the energy consumption that the compressor has to provide and the lower the investment costs of the piston compressor.
  • the number of piston compressors is therefore essentially only defined by the redundancy requirements described above. This can now be implemented centrally as an N+1 unit and not as 2 N thanks to the central piston compressor station.
  • a compressed gas storage unit is connected to the central collecting line.
  • the compressed gas storage tank can be loaded with pre-compressed hydrogen as product gas at the working pressure and at the same time acts as a buffer tank.
  • This pressurised gas reservoir serves to better compensate for performance fluctuations, so that hydrogen can be fed from the compressed gas storage tank into the central collecting line if required, or can also be fed from the compressed gas storage tank into the central collecting line in a well-dosed manner.
  • the compressed gas storage tank can be equipped with a throttle, i.e. a pressure reducer, or if required with a bidirectional control valve to maintain or reduce the pressure, so that storage or release can be achieved as required.
  • the electrolysis system has a gas return line which branches off from the secondary compressor station on the pressure side and is connected to the compressed gas storage tank.
  • a pressure reducing device is installed in the return line, which can preferably be designed as a gas expansion turbine. This creates a particularly advantageous possibility to be able to adjust the pressure for the specified loading pressure in the compressed gas storage tank.
  • the final pressure of the two-stage compressed hydrogen of, for example, 30 bar after the secondary compressor station can thus be reduced to the desired storage pressure during a return.
  • the design of the pressure reduction device as a gas expansion turbine is particularly advantageous in the present case, since it still allows an energetic use of the hydrogen gas expanding in the expander, for example by driving an electric generator coupled to the turbine shaft, or by exploiting the temperature reduction of the hydrogen gas, for example by thermal coupling to a heat exchanger or a cooling device in the electrolysis system.
  • An expander also called a turbo expander, gas relaxation or expansion turbine, belongs to the family of turbines in which a gas under pressure expands and does work in the process.
  • an expander only consists of the actual turbine and does not have a compressor or combustion chamber as an integral part of the machine.
  • the gas to be expanded is therefore not generated by the machine itself; in this case, the compression is carried out by the post-compressor station, i.e. it arises from the upstream compression process.
  • the expander also makes advantageous use of the energy of the gas.
  • the expansion turbine can be single- or multi-stage, axial or radial.
  • the mechanical work dissipated can be used to drive a generator, pump or compressor as described above.
  • the expansion can also be implemented in a gas piston engine.
  • the pre-compression device in the electrolysis system has a bypass line into which a gas buffer is connected, wherein the bypass line is connected to the product gas line.
  • the installation of a gas buffer as a low-pressure gas reservoir in a bypass line to the product gas line of an electrolysis plant is particularly advantageous due to the possibility of loading and operating the gas buffer at a constant pressure.
  • an operating mode with constant pressure should be provided.
  • the gas buffer can advantageously regulate the smallest and short-term pressure changes in the range of seconds to the pressure setpoint. Any pressure changes, in particular short-term pressure fluctuations, therefore no longer have an impact on the downstream compression.
  • the gas buffer can be designed as a central gas buffer, i.e. lines branch off from the respective product gas lines of several electrolysis plants so that a common bypass line is formed in which a central gas buffer is arranged.
  • the preferred option here is to use a gas buffer under constant pressure operation for low-pressure gas storage of the hydrogen produced, the operating principle of which is preferably the change in volume and not the change in pressure.
  • the storage volume to be stored or buffered is changed at constant pressure and can thus bring about a decoupling of the dynamic behavior of the processes and in particular the interactions between electrolysis and compression and avoid pressure fluctuations particularly efficiently. Buffering is advantageously carried out by a geometric change in the volume of the storage space of the gas buffer, whereby the operating pressure in the system remains almost constant.
  • the design principle of the gas buffer allows the geometric volume of the container to be changed at almost constant pressure by means of a membrane and an actuator, so that it is particularly advantageous as a It can serve as a balancing buffer between the electrolysis and the downstream compressor.
  • the mass flows of the electrolysis and compressor can be adjusted by the respective control mechanisms of the two units, so that stable operation is achieved.
  • a particularly simpler implementation could be a low-pressure gas buffer, a diaphragm accumulator that does not require constant pressure control.
  • the storage tank of the gas buffer is lined with a diaphragm or bladder that can expand towards the tank wall when the pressure slowly increases.
  • the diaphragm acts only as a passive damping element and dampens any pressure fluctuations that occur, but does not keep the pressure constant at a setpoint or return it to a setpoint after the damping or pressure change has taken place.
  • the gas intermediate storage device is designed as a constant-pressure piston storage device, so that the pressure after the electrolysis and before the compression can be set to a constant inlet pressure and can be maintained at the inlet pressure.
  • a cooling device for cooling the product gas is provided, which is connected downstream of the pre-compressors.
  • This cooling device serves for the intermediate cooling of the product gas compressed in the pre-compressors, in particular the hydrogen produced in the electrolyzer and then compressed.
  • the pre-compression leads to a rise in the temperature of the hydrogen, so that intermediate cooling is very advantageous.
  • a suitably designed cooling device can be arranged in each of the lines leading from a pre-compressor on the pressure side.
  • a central cooling device designed for larger volume flows directly in front of the post-compressor station. in the line that branches off from the central collecting line to the booster compressor station.
  • the cooling can preferably be carried out by adding water and/or hydrogen as a coolant to initiate and maintain a heat exchange in the cooling device, i.e. the coolant absorbs heat from the compressed and correspondingly heated hydrogen via a heat exchanger surface.
  • water and/or hydrogen as a coolant to initiate and maintain a heat exchange in the cooling device, i.e. the coolant absorbs heat from the compressed and correspondingly heated hydrogen via a heat exchanger surface.
  • At least part of the water vapor in the hydrogen condenses and the condensate can be fed to the electrolyzer via a line and used after cleaning. It is also possible to use the heat of condensation released.
  • the downstream cooling device therefore not only serves to condition the gas temperature of the hydrogen for the subsequent second compression stage in the secondary compressor station or the subsequent process steps, but is also designed to condense some of the water vapor in the gas.
  • This condensate can be reused by feeding it to the electrolysis plant, e.g. to reduce the electrolysis water requirement.
  • a return line with purification can be provided for this purpose.
  • a cooling device for cooling the product gas is arranged downstream of the secondary compressor station on its pressure side.
  • two-stage cooling is implemented in the electrolysis system with intermediate cooling after the pre-compressors for gas conditioning and further cooling after the post-compression and, if required, further intermediate cooling in intermediate stages of the pre- and post-compression.
  • a cooling device is installed in the line leaving the post-compressor station on the pressure side, which cools the hydrogen gas compressed to the final pressure, for example 30 bar.
  • the hydrogen is cooled, at least some of the water vapor in the gas condenses and the condensate is preferably fed to the electrolyzer after cleaning via a return line.
  • the cooling device in particular the cooling device designed as a heat exchanger, is therefore designed for the addition of water and/or hydrogen as a coolant via a cooling line.
  • This design can be used for a cooling device both for intermediate cooling after the pre-compressors and, particularly preferably, after the post-compression in the cooling device connected downstream of the post-compressor station.
  • the design with two-stage compression is also advantageously accompanied by two- or multi-stage cooling.
  • a control device can be provided to which the pre-compressors are connected, so that the pre-compressors can be controlled to an electrolysis pressure on the input side.
  • the pressure setpoint at the input of the pre-compressors is set in the atmospheric pressure range, i.e. at a setpoint of 1 bar, or in particular between 0.9 bar and 1.5 bar.
  • a gas intermediate storage device designed as a constant pressure storage device is provided, which is connected in the product gas line and is arranged upstream of the pre-compression device, i.e. on its suction side.
  • the quantity control device is preferably designed in such a way that speed and bypass control can be carried out.
  • control device is designed as a two-stage control device, which has a leading power control as the first control stage and a stabilizing pressure control as the second control stage, so that a controlled interaction of electrolysis and compression is achieved.
  • a two-stage constant pressure control enables particularly stable operation of the electrolysis system in conjunction with the two-stage compression.
  • FIG 1 shows a schematic representation of an electrolysis system, comprising an electrolysis plant, a gas buffer and a compressor plant;
  • FIG 2 an electrolysis system with compressor system, comprising a pre-compression device and a post-compression station;
  • FIG 3 an electrolysis system according to FIG 2 with further technical features.
  • FIG 1 shows a schematic representation of an electrolysis system 1 according to the invention.
  • the electrolysis system 1 has at least one electrolysis system 3 with at least one electrolyzer - not shown in detail in FIG 1 - a gas buffer 27 and a compressor system 7, which are fluidically connected via a product gas line 5.
  • a channel 39 and an outlet channel 41 are formed by the product gas line 5.
  • the gas buffer 27 is fluidically connected between the electrolysis system 3 and the compressor system 7 via the channel 39 and the outlet channel 41, so that the product gas hydrogen H 2 from the electrolysis can be fed to the compressor system 7 via the gas buffer 27.
  • the compressor system 7 is connected downstream in the flow direction of the hydrogen H 2 generated to the gas buffer 27 via the outlet channel 41.
  • the compressor system 7 is designed in two stages and has a pre-compression device 9 and a post-compression station 13, which are coordinated with each other and configured accordingly. This is described in detail below with reference to FIG 2.
  • FIG 1 shows a pressure monitoring device 43 connected to the gas-carrying product gas line 5 between the electrolysis system 3 and the gas buffer 27. Furthermore, a pressure monitoring device 43 is connected to the gas-carrying product gas line 5 between the gas buffer 27 and the compressor system 7.
  • the electrolysis system 3 can be designed with an electrolyzer for a PEM electrolysis for a low-pressure proton exchange electrolysis, or can be based on an alkaline electrolysis. An atmospheric electrolysis produces hydrogen and oxygen at low overpressures.
  • the electrolysis system 1 is characterized by a two-stage control device 37, which has a first control stage 37A and a second control stage 37B.
  • the first control stage 37A forms the leading power control with a power setpoint L.
  • the power setpoint L characterizes the electrolysis line in the electrolysis system 1 as the leading variable for the operation of the electrolysis system 3 or the electrolysis performance of the electrolyzer.
  • the electrolysis current intensity I is suitable as a physical operating measurement variable and parameter for the first control stage 37A.
  • Alternative setpoints are given, for example, by the current density in the electrolyzer or the hydrogen product mass flow of the electrolysis.
  • a pressure control is provided which stabilizes the electrolysis operation, so that a controlled interaction of the electrolysis process and the downstream compression in the two-stage compressor system 7 is brought about.
  • the working pressure is specified as the pressure setpoint P, as it is to be set and maintained in the gas intermediate storage 27 or in the channel 39 and the outlet channel 41.
  • pressure setpoints P of significantly less than 10 bar are desired for low-pressure proton exchange electrolysis, in particular between 1.0 and 1.5 bar are preferred, i.e. a slight overpressure compared to atmospheric pressure.
  • a pressure setpoint of around 1.1 bar is advantageous.
  • the pre-compression device 9 is connected to the control device 37 and is designed accordingly for the pressure setpoint P as the inlet pressure and can be controlled accordingly.
  • the plurality of pre-compressors 11, 11A, 11B introduced into the pre-compression device 9 - see FIG 2 and corresponding versions - are therefore connected to the control device 37. These can each be controlled to the inlet-side electrolysis pressure with the predetermined pressure setpoint P, with a speed and bypass control being implemented for the pre-compressors 11, 11A, 11B designed as screw compressors.
  • This outlet pressure is also kept as constant as possible, which is achieved by the precise input pressure control in the control device 37 and a constant compression ratio of the pre-compression device 9 is achieved.
  • the hydrogen is finally compressed in the compressor system 7 in a second compression stage of the compression process to the desired final pressure, for example 30 bar or possibly even higher, and is now available for various applications or for further transport.
  • a first control stage 37A for the electrolysis forms the leading power control with a power setpoint L for the electrolysis power, which is controlled accordingly.
  • a pressure control is implemented as the second control stage 37B with a constant pressure setpoint P as the optionally predeterminable inlet pressure for the subsequent compression of the hydrogen in the two-stage compressor system 7 with the pre-compression device 9 and the post-compression station 13.
  • the pressure is regulated to the pressure setpoint P by the pressure control device by bringing about an isobaric volume change of the hydrogen in the gas buffer 27.
  • a setpoint/actual comparison 47 with regard to the specified pressure setpoint P can additionally be carried out via a control state Z or the proportional storage volume of the gas buffer 27 is used as a measured variable and the values are adjusted for any necessary control intervention on the control state Z for maintaining the pressure setpoint P .
  • the gas buffer 27 is designed so that when the electrolysis system 3 is shut down, laid and operated, the storage space is closed and brought into a rest position at a standstill. This closes the storage space of the gas intermediate storage 27 for hydrogen and reduces the volume in the storage space - the hydrogen is pushed out. This means that there is no longer any hydrogen product gas in the storage space and the flushing quantity of nitrogen required as flushing gas for inerting is reduced accordingly for standstill management, for example when service work is required. If required, additional hydrogen can be blown off from the electrolysis system 1 via the blow-off devices 49A, 49B.
  • FIG 2 shows an electrolysis system 1 with a compressor system 7, based on which the basic concept of the invention for staged compression with the pre-compression device 9 and the post-compressor station 13 is explained in more detail below and how it can be used particularly advantageously for large electrolysis outputs of several 100 MW.
  • FIG 2 shows an electrolysis system 1 with a plurality of electrolysis systems 3, 3A, 3B, 3C - four systems for example - which each have at least one electrolyzer, but generally several electrolyzers.
  • the electrolysis systems 3, 3A, 3B, 3C have a nominal output of e.g. 100 MW each.
  • the electrolysis system 1 also has a compressor system 7 which comprises a pre-compression device 9 and a central post-compressor station 13.
  • the pre-compression device 9 comprises several pre-compressors 11, 11A, 11B - for example three pre-compressors - which are assigned to the electrolysis systems 3, 3A, 3B, 3C in a corresponding manner and are connected to them via a respective product gas line 5.
  • the system-technical connection is designed in such a way that each of the pre-compressors 11, 11A, 11B is connected to two of the electrolysis systems 3, 3A, 3B, 3C via a respective product gas line 5.
  • each of the pre-compressors 11, 11A, 11B is supplied with hydrogen from the
  • Electrolysis can be fed via a product gas line 5 for pre-compression.
  • the pre-compressors 11, 11A, 11B are each designed as screw compressors and are arranged in close proximity to the electrolysis systems 3, 3A, 3B, 3C.
  • the screw Compressors are designed for an inlet pressure close to atmospheric, and the compressor output is limited to an outlet pressure of less than 10 bar.
  • Screw compressors as pre-compressors 11, 11A, 11B are characterized by particularly high availability and the associated option of being able to dispense with a redundant design in the pre-compression device 9.
  • the pre-compressors 11, 11A, 11B are each connected to a central collecting line 15 on the outlet side, i.e.
  • pre-compressed hydrogen from the pre-compression device 9 can be fed into the central collecting line 15 at a predetermined outlet pressure of, for example, 8 bar.
  • the post-compressor station 13 is also connected to the central collecting line by means of a connecting line 59.
  • pre-compressed hydrogen can be fed at the specified output pressure from the central collecting line 15 to the connecting line 59 of the booster compressor station 13.
  • the booster compressor station 13 is designed as a central booster compressor station 13 on the connecting line 59 and is designed for a final pressure of at least 30 bar. Piston compressors are used here.
  • the performance-limiting pistons of the lower pressure range on the piston compressor of the post-compressor station 13 can be omitted, since a pre-pressure is already provided. In addition to a considerable structural reduction, this also enables an increase in the flow rate of the individual piston compressors. This means that the number of centrally arranged piston compressors in the piston compressor station 13 can be reduced and greater flexibility achieved. The number of piston compressors is thus essentially only defined by redundancy requirements, which is now designed as a central piston compressor station 13 and can be designed as a unit with N+1 piston compressors and not as a unit with 2N piston compressors.
  • a compressed gas reservoir 17 is connected to the central collecting line 15 and can be charged with hydrogen as required both via the collecting line 15 and on the pressure side via the booster compressor station 13.
  • a gas return line 19 branches off from a pressure-side outlet line at the outlet of the booster compressor station 13 and connects to the compressed gas reservoir 17.
  • a valve 51 is connected to the return line 19 and a pressure reducing device 21 is installed so that an adapted charging pressure for the compressed gas reservoir 17 can be set which is reduced compared to the final pressure of 30 bar of the booster compressor station 13.
  • the pressure reducing device 21 is designed as an expansion turbine 23, which enables a precise charging pressure of the compressed gas reservoir 17.
  • the mechanical work performed by the expansion turbine 23 during expansion for other purposes in the electrolysis system 1, for example to drive a generator.
  • the cooling of the hydrogen expanding in the expansion turbine 23 can be used for energy, for example as cooling power in a refrigeration unit or in a heat exchanger.
  • hydrogen can be fed to the central collecting line 15 at the predetermined output pressure via the compressed gas reservoir 17. Stable and uninterrupted continued operation is thus possible in the event that the hydrogen supply from the pre-compression device 9 is temporarily reduced or even interrupted by a fault. This maintains the pressure in the central collecting line 15 and ensures stable operating behavior of the piston compressor in the post-compression station 13. This also makes stand-by operation for the post-compression station 13 possible if required.
  • the start-up behavior when commissioning the compressor system 7 or one or more of the electrolysis systems 3, 3A, 3B, 3C in the electrolysis system 1 is also improved by the hydrogen supply in the compressed gas storage 17.
  • This can be particularly advantageous for the piston compressors of the post-compressor station 13, since the compressed gas A sufficiently large quantity of pressurized hydrogen is stored in the reservoir 17, which can be fed into the collecting line 15 under a pre-pressure and can be made available there as required.
  • FIG 3 An electrolysis system 1 with additional technical features compared to FIG 2 is shown in FIG 3 .
  • the basic system concept corresponds to the electrolysis system 1 shown in FIG 2 and FIG 3:
  • the system concept is characterized by two-stage compression, with a plurality of pre-compressors 11, 11A, 11B designed as screw compressors, which are fluidically followed by a central post-compressor station 13 designed as a piston compressor station.
  • the two compression stages are coupled via the central collecting line 15 and the connecting line 59, which is centrally connected to the post-compressor station 13.
  • a bypass line 25 is provided in FIG. 3, into which a gas intermediate storage device 27 is connected.
  • the gas intermediate storage device 27 is designed as a low-pressure gas storage device for hydrogen.
  • the bypass line 25 has a number of branch lines, wherein a branch line is connected to a respective product gas line 5 of an electrolysis system 3, 3A, 3B, 3C.
  • the connection to the product gas line 5 takes place in a line section before entering the corresponding associated pre-compressor 11, 11A, 11B.
  • a changeover valve 61 is installed in each branch line, so that bidirectional operation and use of the bypass line 25 is achieved. It is therefore possible to use the branch line to charge or discharge the central gas buffer 27 with hydrogen.
  • the switching valve 61 can also be closed completely in both flow directions if required, so that a branch line and the corresponding line path are then optionally blocked.
  • the gas buffer 27 fulfills an important buffer function with regard to pressure fluctuations in the electrolysis pressure.
  • the changeover valve 61 is operated in the direction of the product gas line in an open state.
  • the inlet pressure of the pre-compressors 11, 11A, 11B which are designed as screw compressors, can thus be kept constant at a predetermined setpoint pressure value.
  • a gas return line 57 which leads from the compressed gas storage tank 17 is connected to the bypass line 25.
  • a control valve 63 is installed in the gas return line 57 so that a loading pressure which is lower than the pressure in the compressed gas storage tank 17 can be set. This allows compressed hydrogen from the compressed gas storage tank 17 to be fed to the gas intermediate storage tank 27.
  • 3A, 3B, 3C in the electrolysis system 1 - i.e. with even reduced hydrogen production - hydrogen can be selectively coupled out of the gas intermediate storage tank 27 or from the compressed gas storage tank 17 in order to run the compressor system 7 at a favorable operating point and to supply it with hydrogen with a sufficient volume flow and pressure.
  • This also makes it possible to operate an electrolysis plant 3, 3A, 3B, 3C at partial load without having to significantly reduce the compressor plant 3.
  • the connecting line 59 which is connected to the central collecting line 15, is connected to a cooling device 29, which is designed as a heat exchanger with a primary side and a secondary side.
  • a cooling device 29 which is designed as a heat exchanger with a primary side and a secondary side.
  • Cooling is preferably achieved by adding water and/or hydrogen as a cooling medium, which can be supplied via a cooling line 33. In this way, cost-effective and technically simple cooling is possible, since both water and hydrogen are available in the electrolysis plant.
  • a second cooling device 31 is installed in the outlet line 55 on the pressure side of the booster compressor station 13 and is connected downstream of the booster compressor station 13.
  • the hydrogen which has finally been highly compressed to a final pressure of e.g. 30 bar and heated to over 80 °C, can be cooled again as a product gas. Cooling in the cooling device 31 is achieved by adding water and/or hydrogen through a cooling line 33. The cooling medium then leaves the cooling device 31 through line 53. When the hydrogen product stream is cooled, at least part of the water vapor in the gas condenses and the condensate can be returned to the electrolyzer 3, 3A, 3B, 3C via a return line 35.
  • the present invention is distinguished in particular by a particularly advantageous implementation of a two-stage compression concept in an electrolysis system 1 for high outputs of over 100 MW.
  • the concept comprises, in an advantageous combination, a pre-compression device 9, with pre-compressors 11, 11A, 11B preferably designed as screw compressors, and with a central post-compressor station 13, which is preferably designed as a piston compressor station.
  • the electrolysis system 1 is thus adapted and usable in its particularly designed form for large-scale electrolysis systems.
  • This advantageous system concept can achieve cost savings by eliminating the low-pressure stages on the preferred piston compressor of the post-compressor station 13 as well as by a possible reduced redundancy of the preferred screw compressors.
  • a further advantage is the possible increase in the performance of the piston compressor due to the higher inlet pressure due to the pre-compressed gas already in the pre-compression device 9. hydrogen.
  • a large and conventional piston compressor is assembled on the construction site on a complicated foundation - both geometrically and in terms of vibration - with considerable assembly effort. Screw compressors can be brought to the construction site as a so-called skid-based solution and only require a simple foundation. If post-compression in a piston compressor begins at higher pressure, skid-based installations can also be used here, or a few large central compressor systems can be used for very large electrolysis mass flows. The expected cost savings are considerable.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Elektrolysesystem (1) mit einer Mehrzahl von Elektrolyseanlagen (3, 3A, 3B, 3C), die jeweils einen Elektrolyseur mit einer jeweiligen Produktgas-Leitung (5, 5A, 5B, 5C) aufweisen, mittels derer ein Produktgas aus der Elektrolyseanlage (3, 3A, 3B, 3C) herausleitbar ist, und mit einer Verdichteranlage (7) umfassend eine Vorverdichtungseinrichtung (9) mit einer Mehrzahl von Vorverdichtern (11, 11A, 11B), eine Nachverdichterstation (13) und eine zentrale Sammelleitung (15), wobei die Produktgas-Leitung (5, 5A, 5B, 5C) eingangsseitig an einen Vorverdichter (11, 11A, 11B) und die Vorverdichter (11, 11A, 11B) ausgangsseitig an die zentrale Sammelleitung (15) angeschlossen sind, und wobei die Nachverdichterstation (13) an die zentrale Sammelleitung (15) angeschlossen ist.

Description

Beschreibung
Elektrolysesystem, insbesondere zur atmosphärischen Wasserelektrolyse
Die Erfindung betri f ft ein Elektrolysesystem, insbesondere zur atmosphärische Wasserelektrolyse , mit einer Mehrzahl von Elektrolyseanlagen, die j eweils einen Elektrolyseur aufweisen .
Bei einer Elektrolyse wird mittels elektrischen Stroms eine chemische Reaktion, insbesondere eine Redoxreaktion, angestoßen, wobei elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt wird . Die dafür benötigte elektrische Energie liefert eine Gleichspannungsquelle , welche zwei elektrische Pole , eine Anode und eine Kathode , aufweist . Durch zwei Elektroden, die Anode und die Kathode , wird ein elektrischer Gleichstrom in einen leitenden Elektrolyten, beispielsweise eine leitende Flüssigkeit , geleitet . Bei einer Protonen-Austausch-Elektro- lyse ( PEM-Elektrolyse ) erfolgt die Leitung zumindest teilweise durch eine Protonen-Austausch-Membran, welche für positiv geladene Protonen durchlässig ist . An den Elektroden entstehen durch die Elektrolyse , das heißt durch Leiten des Gleichstroms der Gleichspannungsquelle , beispielsweise mittels Protonen, von der einen zur anderen Elektrode , Reaktionsprodukte der elektrochemischen Reaktion aus den im Elektrolyten beziehungsweise der Flüssigkeit enthaltenen Stof fen beziehungsweise Elementen . Neben PEM-Elektrolyseanlagen, die im sauren Milieu arbeiten sind beispielsweise auch alkalische Elektrolyseure bekannt und häufig verwendet .
Die Gleichspannungsquelle bewirkt einen Elektronenmangel in der mit dem Pluspol verbundenen Elektrode , der Anode , und einen Elektronenüberschuss in der mit dem Minuspol verbundenen Elektrode , der Kathode . An der Kathode nehmen elektroneutrale oder positiv geladene Stof fe Elektronen auf und werden dadurch reduziert . An der Anode erfolgt die Abgabe von Elekt- ronen in die Elektrode beziehungsweise Anode , wobei der Stof f beziehungsweise die Stof fe dort oxidiert werden .
Eine häufige Form der Elektrolyse ist die Wasserelektrolyse , mittels derer einer Zerlegung von Wasser in Wasserstof f und Sauerstof f stattfindet , wobei eine einfache Reaktionsgleichung 2H20 -> 2H2 + 02 lauten kann . Dies kann mittels Protonen- Austausch-Elektrolyse ( PEM-Elektrolyse aus dem Englischen Proton Exchange Membrane Electrolysis ) erfolgen, dabei wird Wasser in einer Elektrolysezelle mit einem festen Polymerelektrolyten elektrochemisch auf gespalten . Der Polymerelektrolyt , genauer eine Polymer-Elektrolyt-Membran beziehungsweise die Proton-Austausch-Membran, ist dabei für die Leitung von Protonen, den Wasserstof f ionen, die Trennung von Produktgasen und die elektrische I solierung der Elektroden verantwortlich . Als Produktgase entstehen bei der Niederdruck-PEM- Elektrolyse molekularer Sauerstof f 02 sowie molekularer Wasserstof f H2 aus Wasser H20. Die Polymer-Elektrolyt-Membran weist aufgrund ihrer festen Struktur eine geringe Gasübertragungsrate auf , was zu einer sehr hohen Produktgasreinheit führt . Die Aufrechterhaltung einer hohen Gasreinheit ist wichtig für die Lagersicherheit und den direkten Einsatz des Produktgases beispielsweise in einer Brennstof f zelle .
Die Wasserelektrolyse mittels PEM-Elektrolyse ist beispielsweise aufgrund von dynamischen Reaktions zeiten und hohen Wirkungsgraden eine vielversprechende Technologie zur Energiespeicherung in Verbindung mit erneuerbaren Energiequellen . So kann sie beispielsweise bei den sogenannten Power-to-Gas- Konzepten bei über dem Bedarf liegenden temporären Stromüberschüssen, beispielsweise bei der Produktion erneuerbarer Energie , überschüssigen Strom in Form von Energie speichern .
Der Druckbetrieb von kommerziellen PEM-Elektrolyseuren kann neben dem drucklosen Betrieb ( atmosphärischer Betrieb ) in Gleich- und Di f ferenzdruck unterschieden werden . Atmosphärische Wasserelektrolysen erzeugen Wasserstof f und Sauerstof f bei geringem Überdruck und stellen aus heutiger Sicht eine präferierte Lösung zur Erreichung einer hohen Leistungs flexibilität bei gleichzeitiger Kostenminimierung dar . Für die Nutzung dieser durch Elektrolyse erzeugten Produktgase ist in vielen nachgeschalteten Prozessen oder auch zur Speicherung des Wasserstof fes daher eine Druckerhöhung mittels Verdichter erforderlich .
Daher ist als ein wesentlicher Prozessschritt eine mechanische Verdichtung des Wasserstof fs auf einen geforderten Speicherdruck notwendig . Der maximale Speicherdruck ist abhängig von der j eweiligen Anwendung der Elektrolyseanlage . So kann etwa die Nutzung von Wasserstof f in einem Industriebetrieb in Verbindung mit einer Elektrolyseanlage in der Nähe einen Druck zwischen 5 und 15 bar erfordern, wie etwa für ein Stahlwerk . Die Versorgung einer Pipeline erfordert Drucke zwischen 50 und 100 bar . Tankstellenanwendungen erfordern Druckniveaus bis zu 850 bar . Für die großtechnische Speicherung von Wasserstof f werden üblicherweise Druckspeicher verwendet , die bis zu einem Druck von 200 bar beschickt werden können, was zum Teil sehr aufwändige und kostenintensive Investitionen in die Errichtung und den Betrieb von Verdichteranlagen in einem Elektrolysesystem erfordert . Die Weiterverwendung des Wasserstof fs in chemischen Prozessen wie z . B . der Ammoniaksynthese erfordern Drucke zwischen etwa 150 und 350 bar .
Dabei benötigt ein isothermer Kompressionsprozess weniger Verdichterarbeit als der isentrope Prozess dies erfordert . Die spezi fische Verdichterarbeit von atmosphärischem Druck auf 50 bar liegt rechnerisch mit etwa 20 kJ /mol nahezu 50 Prozent über der notwendigen Arbeit für den isothermen Prozess . Diese Energiemenge entspricht etwa 8 Prozent des unteren Hei zwerts von Wasserstof f . Durch den Wärmedurchgang bei realen Verdichtern ergibt sich in der Praxis einer atmosphärischen Elektrolyseanlage für technische Anwendungen eine Verdichterarbeit zwischen den beiden Grenz fällen isentrop und isotherm . Im Hinblick auf die zu erwartenden und geforderten zunehmenden Anlagengrößen von atmosphärischen Elektrolysesystemen im industriellen Maßstab von mehr als 100MW Leistung, ist daher ein zunehmender Bedarf innerhalb großskaliger Elektrolysesysteme eine angepasste Verdichteranlage zu konzipieren . Diese soll gegenüber den bisher bekannten Lösungen unter Kostengesichtspunkten verbessert sein, bei gleichzeitiger Sicherstellung der erforderlichen Betriebs flexibilität , wie es ein Betrieb im industriellen Maßstab erfordert .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Elektrolysesystem anzugeben, das die Anforderungen einer ef fi zienten und kostengünstigen Verdichtung mit einer hohen Betriebs flexibilität bei großen Elektrolyseleistungen verbindet .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Elektrolysesystem mit einer Mehrzahl von Elektrolyseanlagen, die j eweils einen Elektrolyseur mit einer j eweiligen Produktgas- Leitung aufweisen, mittels derer ein Produktgas aus der Elektrolyseanlage herausleitbar ist , und mit einer Verdichteranlage umfassend eine Vorverdichtungseinrichtung mit einer Mehrzahl von Vorverdichtern, eine Nachverdichterstation und eine zentrale Sammelleitung, wobei die Produktgas-Leitung eingangsseitig an einen Vorverdichter und die Vorverdichter ausgangsseitig an die zentrale Sammelleitung angeschlossen sind, und wobei die Nachverdichterstation an die zentrale Sammelleitung angeschlossen ist .
Die Erfindung geht hierbei bereits von der Erkenntnis aus , dass bei größeren Anlagenleistungen im industriellen Maßstab die bekannten Elektrolysesysteme aufgrund der erforderlichen hohen Verdichtungsleistungen aus Kostengründen und wegen systemischer Betriebserfordernisse nicht ohne weiteres weiter hochskalierbar sind, ohne erhebliche Nachteile in Kauf zu nehmen .
Zwar stellen die atmosphärische Wasserelektrolysen aus heutiger Sicht sowohl unter wirtschaftlichen als auch unter tech- nologischen Überlegungen eine besonders präferierte Lösung zur Erreichung einer hohen Leistungs flexibilität bei gleichzeitiger Kostenminimierung dar . Für die Nutzung dieser durch Elektrolyse erzeugten Gase ist in vielen nachgeschalteten Prozessen oder auch zur Speicherung des Wasserstof fes eine Druckerhöhung mittels Verdichter erforderlich . Aufgrund der geringen Dichte von Wasserstof f werden hierfür überwiegend Kolben- oder Membranverdichter eingesetzt , da die für Verdichtungsprozesse üblicherweise verwendeten konventionellen Turboverdichter aufgrund der notwendigen hohen Stufenzahl bedingt durch die chemischen bzw . molekularen Eigenschaften des Wasserstof fs unwirtschaftlich herstellbar und betreibbar wären . Das Konstruktionsprinzip der Kolbenverdichter verursacht aber sowohl auf der Saug- als auch auf der Druckseite nachteilige Druckschwankungen, die zu einer Lebensdauerreduzierung der Elektrolyse oder betrieblichen Aus fällen führen können . Die der Elektrolyse nachgelagerte Verdichtung, aber auch andere nachfolgende Prozessschritte , haben zusätzlich ein von der Elektrolyse abweichendes dynamisches Verhalten bei transienten Vorgängen und müssen für einen stabilen Betrieb entkoppelt werden . Ein zwischengeschalteter Speicher mit festem Volumen, dessen Wirkprinzip für Ein- und Ausspeichervorgänge aus der Druckvariation besteht , steht hierfür nicht zur Verfügung, da diese Druckvarianz bei atmosphärischen Anwendungen zu gering wäre und zu enormen Speichervolumina und damit zu einem erheblichen Kosten- bzw . Platzbedarf führen würde . Die Zwischenspeicherung erfolgt in der Regel in einem Konstantdruck Kolbengasspeicher, dessen Kolbengewicht den Druck Konstant hält und die Füllhöhe das Volumen beschreibt
Mit der Erfindung wird in einem atmosphärischen Elektrolysesystem mit mehreren Elektrolyseanlagen eine zweistufiges Verdichtungskonzept vorgeschlagen, die eine Vorverdichtung in der Vorverdichtungseinrichtung und eine nachgeschaltete zentralen Nachverdichtung in der Nachverdichterstation umfasst . Dabei sind in der Verdichteranlage die beiden Subsysteme aufeinander abgestimmt und wirken zusammen, um insgesamt eine möglichst ef fi ziente und kostengünstigen Verdichtung mit ei- ner hohen Betriebs flexibilität und mit hoher Verfügbarkeit bei großen Elektrolyseleistungen von mehreren 100 MW zu erreichen . Durch die anlagentechnische und funktionale Trennung der Vorverdichtungseinrichtung und der Nachverdichterstation ist eine Entkopplung möglich, die eine hohe Flexibilität bei der Wahl und Auslegung der j eweiligen Verdichter vor allem unter Kostengesichtspunkten begünstigt . In die zentrale Sammelleitung ist als Produktgas vorverdichteter Wasserstof f aus der Vorverdichtungseinrichtung von der Produktgas-Leitung einspeisbar, und zwar bei einem vorgegebenen Betriebsdruck von 2 bis 20 bar, vorzugsweise 8 bar als Ausgangsdruck aus der Vorverdichtung . Die zentrale Sammelleitung ist daher für die Zufuhr und den Transport und ggf . eine temporäre Zwischenspeicherung von großen Gasvolumina aus der Mehrzahl der über eine j eweilige Produktgas-Leitung angeschlossenen Elektrolyseanlagen ausgelegt , und zwar unter Beachtung des Betriebsdrucks des vorverdichteten Wasserstof fs aus dieser ersten Druckstufe der Vorverdichtung .
Um diese Kosten von Elektrolyseanlagen zu reduzieren, ist durch das hier vorgeschlagene Elektrolysesystem mit einer angepassten gestuften Verdichtung in der Verdichteranlage eine kostengünstige Vorverdichtung realisiert . Die hierfür bisher vorgeschlagenen Ansätze bestehen in der Umsetzung eines druckauf geladenen Elektrolyseprozess , welcher bereits einen Vordruck von 8 bar bis zu 30 bar bereitstellen kann . Da allerdings druckauf geladene Elektrolysen betrieblich weniger flexibel und für Anlagengrößen von über 100MW Elektrolyseleistung bisher nicht konzipiert sind, geht die Erfindung den Weg, die bewährte atmosphärische Elektrolyse für großtechnische Elektrolysesysteme weiterzuentwickeln und eine technisch umsetzbare alternative Ausgestaltung zur Druckelektrolyse auf zuzeigen .
Vorgeschlagen wird in einem atmosphärischen Elektrolysesystem mithin eine sehr vorteilhafte Kombination aus einer Vorverdichtungseinrichtung und einer vorzugsweise zentralen Nachverdichterstation . Die Verdichter der Vorverdichtungseinrich- tung dienen hierbei als Niederdruckverdichter und werden für die Vorverdichtung des Wasserstof fes aus den Elektrolyseuren auf einen vorbestimmten und möglichst konstanten Ausgangsdruck, beispielsweise 8 bar, eingesetzt . Bei großen Elektrolysesystemen wird einer oder mehreren Elektrolyseanlagen j eweils ein Vorverdichter zugeordnet , welcher in eine gemeinsame zentrale Sammelleitung einspeist . Es ist dabei auch möglich, dass eine Elektrolyseanlage an zwei verschiedene Vorverdichter angeschlossen ist , wobei dann zwei Produktgas- Leitungen von dieser Elektrolyseanlage j eweils zu einem der beiden Vorverdichter anschließt . Auch können mehrere Elektrolyseanlagen, beispielsweise zwei Elektrolyseanlagen, über eine j eweilige Produktgas-Leitung an ein und denselben Vorverdichter anschließen, so dass Wasserstof f-Produktgas aus zwei oder aus mehreren Elektrolyseuren in den Vorverdichter auf dessen Saugseite einströmbar ist . Somit ist in der Vorverdichtungseinrichtung eine sehr einfache Redundanz bzw . Mehrfachnutzung der Vorverdichter realisiert , die einen kontinuierlichen und zugleich flexiblem Betrieb ermöglicht . Die zentrale Sammelleitung kann hierbei auch parallel auch von weiteren Elektrolyseanlagen über die Vorverdichter versorgt werden, so dass das Elektrolysesystem ausbaufähig und für große Elektrolyseleistungen skalierbar ist . Aufgrund der Mehrzahl der Vorverdichter in der Vorverdichtungseinrichtung werden hier für die erste Verdichtungsstufe möglichst einfache und kostengünstige Verdichterlösungen gewählt .
Die zentrale Sammelleitung ist für den nächsten Prozessschritt mit der Nachverdichterstation strömungstechnisch über eine Anschlussleitung verbunden, wo die Nachverdichtung des vorverdichteten Wasserstof fs auf einen geforderten Enddruck erfolgen kann, der von der j eweiligen Wasserstof fnutzung abhängig ist . In den meisten der Fälle sind Drücke von 30bar oder darüber hinaus gefordert .
Vorzugsweise sind hierbei die Vorverdichter auf annähernd atmosphärischen Eingangsdruck ausgelegt und die Verdichterieis- tung der Vorverdichter auf einen Ausgangsdruck von maximal 10 bar begrenzt .
Ausgangsdrucke zwischen 2 bar und 9 bar sind vorteilhaft , insbesondere 8 bar haben sich bei der Auslegung von großen Elektrolysesystemen beispielsweise als besonders zweckmäßig erwiesen für die Vorverdichtung und zugleich als Einspeisedruck in die zentrale Sammelleitung . Dies ist zugleich der Eingangsdruck auf der Saugseite der Nachverdichterstation, so dass für die zentrale Nachverdichtung der großen Wasserstof f- Volumenströme aus der Sammelleitung ein günstigeres Druckverhältnis eingestellt ist und damit ein weiterer Ef fi zienzgewinn sowie eine damit einhergehende Kostenreduktion erzielbar sind . Durch dieses Betriebs fenster ist auf der Wasserstof fseite für eine atmosphärische Elektrolyse ein besonders ef fi zienter und verlustarmer Betrieb erreichbar, und ein präziser Ausgangsdruck einstellbar und haltbar .
Weiter bevorzugt sind die Vorverdichter in räumlicher Nähe der zu der Elektrolyseanlage angeordnet , so dass der Leitungsweg der j eweiligen Produktgas-Leitung minimiert ist . Dagegen kann die Nachverdichterstation zentral in räumlicher Nähe zu den Vorverdichtern oder wahlweise auch an einem entfernteren für das j eweiligen Einsatzsituation sinnvollen Standort angeordnet sein .
Hierdurch kann der Druckverlust reduziert werden . Da Verdichter auf Basis von Druckverhältnissen arbeiten, ist bei Elektrolyseanlagen mit niedrigem Betriebsdruck der Druckverlust der Wasserstof f leitung zum Verdichter entscheidend, um den Energieaufwand für die Verdichtung nicht überproportional steigen zu lassen . Die Vorverdichter werden daher bevorzugt in unmittelbarer räumlicher Nähe zu den Elektrolyseanlagen, insbesondere den Elektrolyseuren, angeordnet . Ein weiterer Vorteil des Vorverdichtungskonzepts ist die hohe Verfügbarkeit der gewählten Verdichter für die Vorverdichtung und die damit verbundene Möglichkeit , auf eine aufwändige redundante Aus führung - beispielsweise zwei Vorverdichter pro Elektroly- seanlage - im unteren Druckbereich verzichten zu können . Eine mehrfach-redundante Aus führung wäre somit allenfalls noch nur für die nachgeschalteten Nachverdichterstation erforderlich .
In besonders bevorzugter Ausgestaltung des Elektrolysesystem sind in der Vorverdichtungseinrichtung die Verdichter als Schraubenverdichter ausgestaltet .
Schraubenverdichter sind verglichen zu Kolbenverdichter in ihrem Aufbau deutlich einfacher, wesentlich kostengünstiger und können große Wasserstof fmengen verdichten . Ein gewisser Nachteil besteht im Auftreten konstruktiv bedingter innerer Leckagen, welche bei steigendem Druck zu einem erheblichen Wirkungsgradabfall und zusätzlichem Energieverbrauch führen können . Dies ist besonders für die Wasserstof fverdichtung beachtlich . Daher ist eine Begrenzung der Verdichtungsleistung der als Schraubenverdichter ausgestalteten Vorverdichter auf einen Ausgangsdruck von kleiner als 10 bar zu bevorzugen und entsprechend einzustellen . Dies kann durch entsprechende konstruktive Auslegung des Schraubenverdichters erzielt werden .
Schraubenverdichter zeichnen sich durch eine große Unanfälligkeit und damit Betriebssicherheit gegenüber schwankenden Betriebsbedingungen und ihre bauartbedingte innere Verdichtung ohne freie Massenkräfte machen Schrauben zu flexiblen Dauerläufern mit geringster Wartungsintensität und vergleichsweise geringen Betriebskosten im Voll- und Teillastbetrieb . Das Funktionsprinzip basiert auf einem Haupt- und einem Nebenrotor, die durch fortlaufende Drehung Gasportionen von der sog . Saugseite einschließen und gegen eine kleinere Auslassgeometrie auf der sog . Druckseite ausschieben . Während der Hauptrotor in aller Regel die Funktion des Antriebs übernimmt , besteht die Aufgabe des Nebenrotors in der Kammerbildung und Abdichtung . Grundsätzlich sind Schrauben in öl frei und ölgeflutet verdichtende Maschinentypen zu unterscheiden . Beide kommen in ein- oder mehrstufigen Konzepten in Wasserstof f anwendungen zum Einsatz ; j edoch in unterschiedlichen, bauartbedingten Arbeitsbereichen, betref fend Umfangsgeschwindigkeit der Rotoren, Druckdi f ferenz und Fördervolumina ) .
In weiter bevorzugter Ausgestaltung des Elektrolysesystems ist die Nachverdichterstation als eine zentrale Nachverdichterstation ausgeführt und auf einen Enddruck von mindestens 30 bar ausgelegt . Bevorzugt erfolgt eine Auslegung auf einen Enddruck von nominell mindestens 20 bar, insbesondere nominell mindestens 30 bar .
Eine zentrale Nachverdichterstation hat den Vorteil , dass aus der zentralen Sammelleitung an einem zentralen Anschlusspunkt eine einzige Zufuhrleitung zu der Nachverdichterstation anschließt , und zugleich ein großer Massenstrom von auf den Ausgangsdruck vorverdichtetem Wasserstof f gas durch diese Zufuhrleitung übergeben werden kann . Anlagentechnisch hat dies den Vorteil , dass aufgrund des Druckes in der Zufuhrleitung die Wasserstof fdichte im Vergleich zur Produktgasleitung zur Vorverdichtung ansteigt und somit ein kleinerer Rohrleitungsdurchmesser gewählt werden kann, was in Konsequenz zu geringeren Investitions- und Gestehungskosten führt . Neben einer Reduzierung der Investitionskosten erlaubt die Kombination bestehend aus Vor- und Nachverdichtung einen robusteren Betrieb des Elektrolysesystems , da zwischen Vor- und Nachverdichtung ein höherer Druckverlust zulässig ist , was in einer besonders vorteilhaften Aus führung auch eine zentrale Nachverdichterstation in größerer Entfernung zum Elektrolysesystem ermöglicht .
In besonders bevorzugter Ausgestaltung des Elektrolysesystems ist die Nachverdichterstation als eine Kolbenverdichterstation mit einer Anzahl von Kolbenverdichtern ausgestaltet .
Besonders vorteilhaft erweist sich hier die Kombination aus Schraubenverdichter in der Vorverdichtungseinrichtung sowie eine nachgeordnete zentrale Kolbenverdichterstation . Die Schraubenverdichter dienen hierbei als Niederdruckverdichter und werden für die Vorverdichtung des Wasserstof fes eingesetzt . Bei großen Elektrolysesystemen wird einer oder mehre- ren Elektrolyseanlagen j eweils ein Schraubenverdichter zugeordnet , welcher in die gemeinsame zentrale Sammelleitung einspeist , die parallel auch von weiteren Elektrolyseanlagen mit Schraubenverdichtern versorgt werden kann . Die zentrale Sammelleitung wird in dem nachfolgenden Prozessschritt , der Nachverdichtung in der zweiten Verdichtungsstufe , mit einer zentralen Kolbenverdichterstation verbunden, wo die Nachverdichtung auf einen vorgegebenen Enddruck erfolgt , der von der j eweiligen Wasserstof fnutzung abhängig ist . In den meisten der Anwendungs fällen sind in Elektrolysesystemen Übergabedrucke von 30bar für den Wasserstof f gefordert und daher besonders vorteilhaft für einen Weitertransport und eine industrielle oder energetische Nutzung .
Dabei sind Schraubenverdichter sind verglichen mit Kolbenverdichter in ihrem Aufbau einfacher, wesentlich kostengünstiger und können große Wasserstof fmengen verdichten . Ein gewisser Nachteil von Schraubenverdichtern besteht im Auftreten konstruktiv bedingter innerer Leckagen, welche bei steigendem Druck zu einem erheblichen Wirkungsgradabfall und zusätzlichem Energieverbrauch führen können . Daher ist eine Begrenzung der Verdichtungsleistung in der Vorverdichter in der Vorverdichtungseinrichtung wie hier vorgeschlagen auf kleiner als l Obar vorteilhaft , um Leckagen zu vermeiden oder möglichst gering zu halten .
Da Verdichter auf Basis von Druckverhältnissen arbeiten, ist bei Elektrolyseanlagen mit niedrigem Betriebsdruck der Druckverlust der Wasserstof f leitung zum Verdichter eine entscheidende Einflussgröße , um den Energieaufwand für die Verdichtung nicht überproportional steigen zu lassen . Der Schraubenverdichter wird daher bevorzugt in räumlicher Nähe zu den Elektrolyseeinheiten angeordnet .
Ein weiterer Vorteil des Schraubenverdichter ist seine hohe Verfügbarkeit und die damit verbundene Möglichkeit , auf eine redundante Aus führung im unteren Druckbereich verzichten zu können . Eine redundante Aus führung wäre somit nur für die nachgeschalteten Kolbenverdichterstation vorzugsweise vorzusehen, indem eine entsprechende Anzahl von Kolbenverdichtern als Redundanz vorgehalten wird . Durch die Vorverdichtung auf beispielsweise 6 bar Ausgangsdruck des Produktgases Wasserstof f aus der Vorverdichtungseinrichtung, können somit die leistungsbegrenzenden Kolben des unteren Druckbereiches am Kolbenverdichter sogar entfallen, was neben einer erheblichen baulichen Verkleinerung auch eine Leistungserhöhung der einzelnen Verdichter ermöglicht . Somit kann die Anzahl der zentral angeordneten Kolbenverdichter reduziert und eine höhere Flexibilität erreicht werden .
Die Erfindung macht sich hier in vorteilhafter Weise die Erkenntnis zu Nutze , dass aufgrund der Stof feigenschaf ten des Wasserstof fs hierfür zwar überwiegend Kolben- oder Membranverdichter eingesetzt werden, da die für Verdichtungsprozesse üblicherweise verwendeten konventionellen Turboverdichter aufgrund der notwendigen hohen Stufenzahl unwirtschaftlich herstellbar wären . Bei Kolbenverdichtern wiederum sind die gerade die ersten Verdichtungsstufen, die den Wasserstof f von einem atmosphärischen Druckniveau von ca . 1 bar auf beispielsweise 7- 8 bar komprimieren, für die Größe und Kosten dominierend . Je höher der Eintrittsdruck in den Verdichter gewählt ist , desto geringer der Energieaufwand, den der Verdichter erbringen muss und desto geringer die Investitionskosten des Kolbenverdichters .
Mithin ist die Anzahl der Kolbenverdichter damit im Wesentlichen nur noch durch die oben beschriebenen Redundanzanforderungen definiert . Die j etzt durch die zentrale Kolbenverdichterstation zentral als N+ l Einheit und nicht als 2 N ausgeführt werden kann .
In besonders bevorzugter Ausgestaltung des Elektrolysesystems ist an die zentrale Sammelleitung ein Druckgasspeicher angeschlossen . Hierdurch ist der Druckgasspeicher mit vorverdichtetem Wasserstof f als Produktgas bei dem Arbeitsdruck beladbar und wirkt zugleich als Puf ferspeicher . Dieses druckbeladene Gasreservoir dient in vorteilhafter Weise dazu, Leistungsschwankungen besser ausgleichen zu können, so dass bedarfsweise Wasserstof f aus dem Druckgasspeicher in die zentrale Sammelleitung eingespeist werden kann oder auch von dem Druckgasspeicher in die zentrale Sammelleitung in wohldosierter Weise zuführbar ist . Dies begünstigt einen besonders stabilen Betrieb des zweistufigen Verdichtungskonzepts und eine präzise Druckhaltung bei dem vorgegebenen Ausgangsdruck bei beispielsweise etwa 8 bar Solldruck, der zugleich der vorgegebene Eingangsdruck auf der Saugseite der Nachverdichterstation ist . Der Druckgasspeicher kann zur Druckhaltung bzw . Druckreduktion mit einer Drossel , also einem Druckminderer, oder bedarfsweise auch mit einem bidirektionalen Regelventil ausgestattet sein, so dass wahlweise ein Einspeichern oder Ausspeichern erzielbar ist .
Vorzugsweise das Elektrolysesystem eine Gasrückführleitung auf , die druckseitig von der Nachverdichterstation abzweigt und an den Druckgasspeicher angeschlossen ist .
Somit ist eine Beladung des Druckgasspeichers mit zusätzlichem hochverdichtetem Wasserstof f aus der zweiten Verdichtungsstufe möglich, indem bedarfsweise verdichteter Wasserstof f bei ca . 30 bar ausgekoppelt und dem Druckgasspeicher über die Gasrückführleitung zugeführt wird . Somit ist auch eine Beladung des Gasdruckspeichers bei einem Druck größer als der Druck in der zentralen Sammelleitung einstellbar, vorteilhafterweise zwischen etwa 8 bar und 30 bar .
Zur Einstellung eines gewünschten Beladungsdrucks ist in der Rückführleitung eine Druckminderungseinrichtung eingebaut , die vorzugsweise als eine Gasentspannungsturbine ausgeführt sein kann . Hierdurch ist eine besonders vorteilhafte Möglichkeit geschaf fen, um eine Druckanpassung für den vorgegebenen Beladungsdruck in dem Druckgasspeicher vornehmen zu können . Der Enddruck des zweistufig komprimierten Wasserstof fs von beispielsweise 30 bar nach der Nachverdichterstation kann somit bei einer Rückführung auf den gewünschten Speicherdruck abgesenkt werden .
Die Ausgestaltung der Druckminderungsvorrichtung als Gasentspannungsturbine ist vorliegend besonders vorteilhaft , da hier noch eine energetische Nutzung des sich im Expander entspannenden Wasserstof f gases möglich ist , etwa durch Antreiben eines an die Turbinenwelle angekoppelten elektrischen Generators , oder indem die Temperaturabsenkung des Wasserstof f gases ausgenutzt wird, beispielsweise durch thermische Ankopplung an einen Wärmetauscher oder eine Kühlvorrichtung in dem Elektrolysesystem .
Ein Expander auch Turboexpander, Gasentspannungs- oder Expansionsturbine genannt , gehört zur Familie der Turbinen, in der ein unter Druck stehendes Gas expandiert und dabei Arbeit leistet . Ein Expander besteht im Gegensatz zu einer Gasturbine im weiteren Sinne nur aus der eigentlichen Turbine , verfügt also nicht über einen Verdichter oder eine Brennkammer als integralen Bestandteil der Maschine . Das zu expandierende Gas wird also nicht von der Maschine selbst erzeugt , vorliegend erfolgt die Verdichtung durch die Nachverdichterstation, es fällt also aus dem vorgeschalteten Verdichtungsprozess an . Im Gegensatz zur Druckminderung durch eine einfache Drossel wird durch den Expander auch die Energie des Gases vorteilhaft nutzbar . Die Expansionsturbine kann ein- oder mehrstufig, axialer oder radialer Bauart sein . Die abgeführte mechanische Arbeit kann wie oben beschrieben zum Antrieb eines Generators , einer Pumpe oder eines Kompressors verwendet werden . Die Expansion kann alternativ auch in einem Gaskolbenmotor umgesetzt werden . In weiter bevorzugter Ausgestaltung weist in dem Elektrolysesystem die Vorverdichtungseinrichtung eine Bypass-Leitung auf , in die ein Gas zwischenspeicher geschaltet ist , wobei die Bypass-Leitung an die Produktgas-Leitung angeschlossen ist .
Der Einbau eines Gas zwischenspeichers als Niederdruck- Gasspeicher in einer Bypass-Leitung zur Produktgas-Leitung einer Elektrolyseanlage ist aufgrund der Möglichkeit der Beladung und Fahrweise des Gas zwischenspeichers unter konstantem Druck besonders vorteilhaft . Für die Druckhaltung ist eine Betriebsweise mit Konstantdruck vorzusehen . Hierbei kann der Gas zwischenspeicher vorteilhafterweise kleinste und kurzfristige Druckänderungen im Sekundenbereich wirksam auf den Drucksollwert regeln . Für die nachgelagerte Verdichtung schlagen eventuelle Druckänderungen, insbesondere kurz zeitige Druckschwankungen, somit nicht mehr durch . Der Gas zwischenspeicher kann als zentraler Gas zwischenspeicher ausgestaltet sein, d . h . von der j eweiligen Produktgas-Leitung mehrerer Elektrolyseanlagen zweigen Leitungen ab, so dass eine gemeinsame Bypass-Leitung gebildet ist , in der ein zentraler Gaszwischenspeicher angeordnet ist .
Vorgeschlagen wird hier bevorzugt der Einsatz eines Gas zwischenspeichers unter konstantem Druckbetrieb zur Niederdruckgasspeicherung des erzeugten Wasserstof fs , dessen Wirkprinzip vorzugsweise die Volumenänderung und nicht die Druckänderung ist . Hierfür wird das zu speichernde oder zu puf fernde Speichervolumen bei konstantem Druck verändert und kann so eine Entkopplung des dynamischen Verhaltens der Prozesse und speziell der Wechselwirkungen von Elektrolyse und Verdichtung bewirken und Druckschwankungen besonders ef fi zient vermeiden . Die Puf ferung erfolgt dabei in vorteilhafter Weise durch eine geometrische Volumenänderung des Speicherraums des Gas zwischenspeichers , wobei der Betriebsdruck im System nahezu konstant bleibt . Das Konstruktionsprinzip des Gas zwischenspeichers gestattet die Änderung des geometrischen Volumens des Behälters bei nahezu konstantem Druck mittels einer Membran und einem Aktuator, so dass dieser besonders vorteilhaft als Ausgleichspuf fer zwischen Elektrolyse und nachgeschaltetem Verdichter dienen kann . Überdies wird eine Angleichung der Massenströme von Elektrolyse und Verdichter durch die j eweiligen Regelmechanismen der beiden Einheiten ermöglicht , so dass ein stabiler Betrieb erzielt ist .
Als eine besonders einfachere Realisierung ist j e nach Anforderung als Niederdruck-Gas zwischenspeicher aber auch ein Membranspeicher denkbar, der ohne eine Konstantdruckregelung auskommt . Der Speicherbehälter des Gas zwischenspeichers ist hierbei mit einer Membran oder Blase ausgekleidet , die sich bei einem langsamen Druckanstieg in Richtung Behälterwand ausdehnen kann . Die Membran wirkt dabei lediglich als ein passives Dämpfungselement und dämpft auftretende Druckschwankungen, hält den Druck aber nicht konstant auf einem Sollwert oder führt ihn nach der erfolgten Dämpfung oder Druckänderung auf einen Sollwert zurück .
In besonders bevorzugter Ausgestaltung ist der Gas zwischenspeicher als ein Konstantdruck-Kolbenspeicher ausgestaltet ist , so dass der Druck nach der Elektrolyse und vor der Verdichtung auf einem konstanten Eingangsdruck einstellbar ist und auf dem Eingangsdruck gehalten werden kann .
Vorzugsweise ist eine Kühlvorrichtung zum Kühlen des Produktgases vorgesehen, die den Vorverdichtern nachgeschaltet ist .
Diese Kühlvorrichtung dient der Zwischenkühlung des in den Vorverdichtern verdichteten Produktgases , insbesondere des im Elektrolyseur erzeugten und danach verdichteten Wasserstof fs . Die Vorverdichtung führt zu einem Temperaturanstieg des Wasserstof fs , so dass eine Zwischenkühlung sehr vorteilhaft ist . Dabei kann in j eder der von einem Vorverdichter druckseitig abgehenden Leitungen eine entsprechend ausgelegte Kühlvorrichtung angeordnet sein . Es ist aber auch möglich und von Vorteil eine für größere Volumenströme ausgelegte zentrale Kühlvorrichtung unmittelbar vor der Nachverdichterstation einzubauen, und zwar in die Leitung, die von der zentralen Sammelleitung zu der Nachverdichterstation abzweigt .
Die Kühlung kann dabei vorzugsweise durch eine Zugabe von Wasser und/oder Wasserstof f als Kühlmittel zur Initiierung und Aufrechterhaltung eines Wärmetauschs in der Kühlvorrichtung erfolgen, d . h . das Kühlmittel nimmt Wärme des verdichteten und entsprechend erwärmten Wasserstof fs über eine Wärmetauscher-Oberfläche auf . Auf diese Weise ist eine besonders kostengünstige und technisch einfach realisierbare Kühlung möglich, da sowohl Wasser als auch Wasserstof f in der Elektrolyseanlage als Kühlmittel zur Verfügung stehen .
Die Wasserspeicherkapazität von Wasserstof f H2 nimmt mit wachsendem Druck ab, so dass für eine direkte Kühlung, d . h . eine Einspritzkühlung, flüssiges Wasser in das verdichtete Produktgas hinein gedüst werden müsste , welches allerdings auch wieder aufwändig entfernt werden muss . Nach der Verdichtung ist möglichst trockenes Wasserstof f gas H2 erwünscht , weshalb bevorzugt eine Kühlung mittels eines Wärmetauschers vorgesehen ist .
Gemäß einer vorteilhaften Aus führung kondensiert dann im Betrieb bei der Kühlung des Produktgases in der Kühlvorrichtung zumindest ein Teil des im Wasserstof f befindlichen Wasserdampfes und das Kondensat kann über eine Leitung dem Elektrolyseur zugeführt und nach einer Reinigung genutzt werden . Eine Nutzung der freiwerdenden Kondensationswärme ist ebenso möglich .
Die nachgeschaltete Kühlvorrichtung dient also nicht nur der Konditionierung der Gastemperatur des Wasserstof fs für die folgende zweite Verdichtungsstufe in der Nachverdichterstation bzw . den folgenden Prozessschritten, sondern ist zusätzlich dafür ausgelegt , dass ein Teil des im Gas befindlichen Wasserdampfes kondensiert . Dieses Kondensat kann erneut verwendet , indem es der Elektrolyseanlage zugeführt wird, z . B . zur Reduzierung des Elektrolysewasserbedarfs . Hierzu kann eine Rückführleitung mit Aufreinigung vorgesehen sein . Vorzugsweise ist in dem Elektrolysesystem eine Kühlvorrichtung zum Kühlen des Produktgases der Nachverdichterstation auf deren Druckseite nachgeschaltet .
Somit ist in dem Elektrolysesystem eine zweistufige Kühlung realisiert mit einer Zwischenkühlung nach den Vorverdichtern zur Gaskonditionierung und einer weiteren Kühlung nach der Nachverdichtung und bedarfsweisen weiteren Zwischenkühlungen in Zwischenstufen der Vor- und Nachverdichtung . Anlagentechnisch ist hierzu in die druckseitig abgehende Leitung der Nachverdichterstation eine Kühlvorrichtung eingebaut , die das auf den Enddruck, beispielsweise 30 bar, verdichtete Wasserstof fgas kühlt . Bei der Kühlung des Wasserstof fs kondensiert zumindest ein Teil des im Gas befindlichen Wasserdampfes und das Kondensat wird bevorzugt über eine Rückführleitung dem Elektrolyseur nach einer Reinigung zugeführt .
In bevorzugter Ausgestaltung des Elektrolysesystem ist daher die Kühlvorrichtung, insbesondere die als Wärmetauscher ausgeführte Kühlvorrichtung, für eine Zugabe von Wasser und/oder Wasserstof f als Kühlmittel über eine Kühlleitung ausgelegt .
Diese Ausgestaltung ist für eine Kühlvorrichtung sowohl für die Zwischenkühlung nach den Vorverdichtern anwendbar, als auch besonders bevorzugt anwendbar nach der Nachverdichtung in der der Nachverdichterstation nachgeschalteten Kühlvorrichtung . Somit geht vorteilhafter die Ausgestaltung mit der zweistufigen Verdichtung auch eine zwei- oder mehrstufigen stufigen Kühlung einher .
Vorzugsweise kann eine Regeleinrichtung vorgesehen sein, an die die Vorverdichter angeschlossen sind, so dass die Vorverdichter auf einen eingangsseitigen Elektrolysedruck regelbar sind . Der Drucksollwert am Eingang der Vorverdichter ist dabei atmosphärischen Druckbereich, also bei einem Sollwert von 1 bar, oder insbesondere zwischen 0 , 9 bar bis 1 , 5 bar eingestellt . Vorzugsweise ist alternativ oder zusätzlich zu der Regeleinrichtung ein als Konstantdruckspeicher ausgelegter Gas zwischenspeicher vorgesehen, der in der Produktgas-Leitung geschaltet und dabei vor der Vorverdichtungseinrichtung, d . h . an deren Saugseite , angeordnet ist . Dies ist eine besonders einfache und robuste Möglichkeit , den Eingangsdruck für die Vorverdichtungseinrichtung konstant zu halten und nachteilige Rückwirkungen zwischen Elektrolyse und Vorverdichter zu vermeiden . Die Vorverdichter können somit mit einem konstanten Druck eingangsseitig beaufschlagt werden .
Im Falle einer Regeleinrichtung ist die Mengenregeleinrichtung bevorzugt derart ausgelegt , dass eine Drehzahl- und Bypass-Regelung durchführbar ist .
Hierbei ist in weiter bevorzugter Ausgestaltung die Regeleinrichtung als eine zweistufige Regeleinrichtung ausgestaltet , die als erste Regelstufe eine führende Leistungsregelung und als zweite Regelstufe eine stabilisierende Druckregelung aufweist , so dass ein geregeltes Zusammenwirken von Elektrolyse und Verdichtung bewirkt ist . Durch eine zweistufige Konstantdruck-Regelung ist ein besonders stabiler Betrieb des Elektrolysesystems ermöglicht im Zusammenwirken mit der zweistufigen Verdichtung .
Weitere Vorteile , Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Aus führungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung . Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den einzigen Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der j eweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen . Aus führungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert . Hierin zeigen schematisch und stark vereinfacht :
FIG 1 in schematischer Darstellung ein Elektrolysesystem, umfassend eine Elektrolyseanlage , einen Gas zwischenspeicher und eine Verdichteranlage ;
FIG 2 ein Elektrolysesystem mit Verdichteranlage , umfassend eine Vorverdichtungseinrichtung und eine Nachverdichterstation;
FIG 3 eine Elektrolysesystem gemäß FIG 2 mit weiteren technischer Ausstattungsmerkmalen .
Gleiche Bezugs zeichen haben in den Figuren die gleiche Bedeutung .
FIG 1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Elektrolysesystem 1 gemäß der Erfindung . Das Elektrolysesystem 1 weist zumindest eine Elektrolyseanlage 3 mit mindestens einem - in FIG 1 nicht näher dargestellten - Elektrolyseur, einen Gaszwischenspeicher 27 sowie eine Verdichteranlage 7 auf , die über eine Produktgas-Leitung 5 strömungstechnisch verbunden sind . Durch die Produktgas-Leitung 5 ist ein Kanal 39 und ein Auslaufkanal 41 gebildet . Der Gas zwischenspeicher 27 ist über den Kanal 39 und den Auslaufkanal 41 strömungstechnisch zwischen die Elektrolyseanlage 3 und die Verdichteranlage 7 geschaltet , so dass das Produktgas Wasserstof f H2 aus der Elektrolyse über den Gas zwischenspeicher 27 der Verdichteranlage 7 zuführbar ist . Die Verdichteranlage 7 ist dabei in Strömungsrichtung des erzeugten Wasserstof fs H2 stromabwärts an den Gas zwischenspeicher 27 über den Auslaufkanal 41 der angeschlossen . Die Verdichteranlage 7 ist zweistufig ausgestaltet und weist eine Vorverdichtungseinrichtung 9 und eine Nachverdichterstation 13 auf , die aufeinander abgestimmt und entsprechend konfiguriert sind . Dies wird anhand FIG 2 weiter unten aus führlich beschrieben . Zur Drucküberwachung ist in FIG 1 eine Drucküberwachungsvorrichtung 43 in die gas führende Produktgas-Leitung 5 zwischen Elektrolyseanlage 3 und Gas zwischenspeicher 27 geschaltet . Weiterhin ist eine Drucküberwachungsvorrichtung 43 in die gas führende Produktgas-Leitung 5 zwischen Gas zwischenspeicher 27 und der Verdichteranlage 7 geschaltet . Die Elektrolyseanlage 3 kann mit einem Elektrolyseur für eine PEM-Elektrolyse ausgestaltet sein für eine Nie- derdruck-Protonen-Austausch-Elektrolyse , oder auf einer alkalischen Elektrolyse basieren . Eine atmosphärische Elektrolyse erzeugt Wasserstof f und Sauerstof f bei geringen Überdrucken .
Die Elektrolysesystem 1 zeichnet sich durch eine zweistufige Regeleinrichtung 37 aus , die eine erste Regelstufe 37A sowie eine zweite Regelstufe 37B aufweist . Die erste Regelstufe 37A bildet hierbei die führende Leistungsregelung mit einem Leistungssollwert L . Der Leistungssollwert L charakterisiert die in dem Elektrolysesystem 1 die Elektrolyseleitung als führende Größe für den Betrieb der Elektrolyseanlage 3 respektive die Elektrolyseleistung des Elektrolyseurs . Als physikalische Betriebsmessgrößen und Parameter für die erste Regelstufe 37A eignet sich die Elektrolysestromstärke I . Alternative Sollwerte sind beispielsweise durch die Stromdichte im Elektrolyseur oder den Wasserstof f-Produktmassenstrom der Elektrolyse gegeben .
Als zweite Regelstufe 37B ist eine den Elektrolysebetrieb stabilisierende Druckregelung vorgesehen, so dass ein geregeltes Zusammenwirken von Elektrolyseprozess und nachgeschalteter Verdichtung in der zweistufigen Verdichteranlage 7 herbeigeführt ist . In der zweiten Regelstufe 37B ist der Arbeitsdruck als Drucksollwert P vorgegeben, wie er im Gas zwischenspeicher 27 bzw . in dem Kanal 39 und dem Auslaufkanal 41 einzustellen und einzuhalten ist . Typischerweise sind bei der Niederdruck-Protonen-Austausch-Elektrolyse Drucksollwerte P von deutlich kleiner als 10 bar gewünscht , insbesondere zwischen 1 , 0 bis 1 , 5 bar sind bevorzugt , also ein leichter Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck . Für die Niederdruck- Protonen-Austausch-Elektrolyse ist insbesondere ein Druck- sollwert von etwa 1 , 1 bar vorteilhaft . Mit der Druckregelung der zweiten Regelstufe 37B ist ein vorgegebener und möglichst konstant gehaltener Eingangsdruck an der Verdichteranlage 7 einstellbar . Die Vorverdichtungseinrichtung 9 ist an die Regeleinrichtung 37 angeschlossen und entsprechend auf den Drucksollwert P als Eingangsdruck ausgelegt und daraufhin regelbar . Die in der Vorverdichtungseinrichtung 9 eingebrachten Mehrzahl von Vorverdichtern 11 , 11A, 11B - siehe FIG 2 und entsprechende Aus führungen - sind mithin an die Regeleinrichtung 37 angeschlossen . Diese sind j eweils auf den eingangsseitigen Elektrolysedruck mit dem vorgegebenen Drucksollwert P regelbar, wobei für die als Schraubenverdichter ausgeführten Vorverdichter 11 , 11A, 11B eine Drehzahl- und Bypass- Regelung implementiert ist , die zur Anwendung kommt . Im Betrieb des Elektrolysesystems 1 wird eine zuverlässige Konstantdruckregelung in dem Regelkonzept in gewissen Grenzen zusätzlich unterstützt durch den Gas zwischenspeicher 27 , da durch das große Speichervolumen und dessen Veränderung die Kompensation kleiner und kleinster Druckschwankungen im Sekundenbereich in einem Schwankungsbereich Bereich von 10 mbar bis zu einigen 100 mbar um den Drucksollwert von beispielsweise P = 1 , 1 bar erzielbar ist .
Im Betrieb der Elektrolysesystems 1 während der Elektrolyse in der Elektrolyseanlage 3 wird über den Kanal 39 der Produktgas-Leitung 5 mittels einer Gasentnahmeeinheit 45 erzeugter Wasserstof f als Produktgas in das Speicherbehältnis des Gas zwischenspeicher 27 eingeleitet und der in das Speicherbehältnis eingeleitete Wasserstof f mittels einer Druckregelvorrichtung auf einen vorgegebenen Drucksollwert P gebracht und auf dem Drucksollwert P gehalten . Dabei wird der Wasserstof f mit dem Drucksollwert P anschließend der Verdichteranlage 7 zugeführt , und zwar der Vorverdichtungseinrichtung 9 . In der Vorverdichtungseinrichtung 9 wird der Wasserstof f vom Eingangsdruck bei dem Drucksollwert P auf einen vorgegebenen und konstanten Ausgangsdruck zwischen 2 bar und 9 bar, beispielsweise 8 bar vorverdichtet . Dieser Ausgangsdruck wird ebenso möglichst konstant gehalten, was durch die präzise Eingangs- druckregelung in der Regeleinrichtung 37 und ein konstantes Verdichtungsverhältnis der Vorverdichtungseinrichtung 9 erreicht wird . Der Wasserstof f wird schließlich in der Verdichteranlage 7 in einer zweiten Kompressionsstufe des Verdichtungsprozesses auf den gewünschten Enddruck, beispielsweise 30 bar oder ggf . auch darüber hinaus , verdichtet und steht nun für verschiedene Applikationen oder den Weitertransport zur Verfügung .
Regelungstechnisch wird der Elektrolyseprozess und die anschließende Verdichtung von in der Elektrolyse erzeugtem Wasserstof f in einer kombinierten Fahrweise zweistufig geführt . Eine erste Regelstufe 37A für die Elektrolyse bildet die führende Leistungsregelung mit einem Leistungssollwert L für die Elektrolyseleistung, die entsprechend geregelt wird . Als zweite Regelstufe 37B ist eine Druckregelung implementiert mit einem konstanten Drucksollwert P als ggf . wahlweise vorgebbarer Eingangsdruck für die anschließende Verdichtung des Wasserstof fs in der zweistufigen Verdichteranlage 7 mit der Vorverdichtungseinrichtung 9 und der Nachverdichterstation 13 . Dabei wird bei der Druckregelung bei einem erforderlichen Regeleingri f f durch die Druckregelvorrichtung der Druck auf den Drucksollwert P geregelt , indem eine isobare Volumenänderung des Wasserstof fs in dem Gas zwischenspeicher 27 herbeigeführt wird . Ein Soll-/ I st-Vergleich 47 in Bezug auf den vorgegebenen Drucksollwert P kann zusätzlich über eine Stell zustand Z bzw . das proportionale Speichervolumen des Gas zwischenspeichers 27 als Messgröße durchgeführt und die Werte abgeglichen werden, für einen eventuell erforderlichen Regeleingri f f auf den Stell zustand Z für die Einhaltung des Drucksollwerts P .
Bei Bedarf oder für auch für einen sicherheitsrelevanten Abschaltbetrieb ist es möglich den Wasserstof f über ein Abblaseventil 49A aus der Anlage sicher abzublasen, etwa auch beim Stillstand der Elektrolyseanlage 3 zu Servicezwecken . Besonders vorteilhaft erweist sich hier, dass der Gas zwischenspeicher 27 bei einem Stillstand der Elektrolyseanlage 3 so aus- gelegt und betrieben ist , dass der Speicherraum geschlossen wird und in eine Ruheposition im Stillstand gebracht wird . Dadurch wird der Speicherraum des Gas zwischenspeichers 27 für Wasserstof f geschlossen bzw . das Volumen im Speicherraum reduziert - der Wasserstof f wird herausgedrückt . Damit ist kein Wasserstof f-Produktgas mehr im Speicherraum und die Spülmenge an erforderlichem Stickstof f als Spülgas zur Inertisierung wird entsprechend verringert für das Stillstandsmanagement , etwa bei notwendigen Servicearbeiten . Bedarfsweise kann zusätzlich Wasserstof f über die Abblasevorrichtungen 49A, 49B aus dem Elektrolysesystem 1 abgeblasen werden .
In FIG 2 ist ein Elektrolysesystem 1 mit Verdichteranlage 7 gezeigt , anhand derer das Grundkonzept der Erfindung für eine gestufte Verdichtung mit der Vorverdichtungseinrichtung 9 und der Nachverdichterstation 13 nachfolgend weiter ausgeführt wird und wie es insbesondere vorteilhaft für große Elektrolyseleistungen von mehreren 100MW anwendbar ist . FIG 2 zeigt ein Elektrolysesystem 1 mit einer Mehrzahl von Elektrolyseanlagen 3 , 3A, 3B, 3C - beispielhaft vier Anlagen- , die j eweils mindestens einen Elektrolyseur, im Allgemeinen aber mehrere Elektrolyseure , aufweisen . Die Elektrolyseanlagen 3 , 3A, 3B, 3C haben eine Nennleistung von z . B . j eweils 100 MW . Weiterhin weist das Elektrolysesystem 1 eine Verdichteranlage 7 auf , die eine Vorverdichtungseinrichtung 9 und eine zentrale Nachverdichterstation 13 umfasst . Die Vorverdichtungseinrichtung 9 umfasst mehrere Vorverdichter 11 , 11A, 11B - beispielsweise drei Vorverdichter - , die den Elektrolyseanlagen 3 , 3A, 3B, 3C in entsprechender Weise zugeordnet und an diese über eine j eweilige Produktgas-Leitung 5 angeschlossen sind . Hierbei ist die anlagentechnische Verschaltung derart ausgeführt , dass j eder der Vorverdichter 11 , 11A, 11B an j eweils zwei der Elektrolyseanlagen 3 , 3A, 3B, 3C über eine j eweilige Produktgas-Leitung 5 angeschlossen ist . Somit ist j edem der Vorverdichter 11 , 11A, 11B als Produktgas Wasserstof f aus der
Elektrolyse über eine Produktgas-leitung 5 zur Vorverdichtung zuführbar . Die Vorverdichter 11 , 11A, 11B sind j eweils als Schraubenverdichter ausgeführt und in räumlicher Nähe zu den Elektrolyseanlagen 3 , 3A, 3B, 3C angeordnet . Die Schrauben- Verdichter sind auf den annähernd atmosphärischen Eingangsdruck ausgelegt und die Verdichterleistung auf einen Ausgangsdruck von kleiner als 10 bar begrenzt . Schraubenverdichter als Vorverdichter 11 , 11A, 11B zeichnen sich durch eine besonders hohe Verfügbarkeit und die damit verbundene Möglichkeit aus , auf eine redundante Aus führung in der Vorverdichtungseinrichtung 9 verzichten zu können . Die Vorverdichter 11 , 11A, 11B sind ausgangsseitig, also auf deren Druckseite , j eweils an eine zentrale Sammelleitung 15 angeschlossen, so dass im Betrieb vorverdichteter Wasserstof f aus der Vorverdichtungseinrichtung 9 bei einem vorgegebenen Ausgangsdruck von beispielsweise 8 bar in die zentrale Sammelleitung 15 einspeisbar ist . Die Nachverdichterstation 13 ist ebenfalls an die zentrale Sammelleitung mittels einer Anschlussleitung 59 angeschlossen . Somit ist vorverdichteter Wasserstof f auf dem vorgegebenen Ausgangsdruck aus der zentralen Sammelleitung 15 der die Anschlussleitung 59 der Nachverdichterstation 13 zuführbar . Die Nachverdichterstation 13 ist als eine zentrale Nachverdichterstation 13 an der Anschlussleitung 59 ausgestaltet und auf einen Enddruck von mindestens 30 bar ausgelegt . Hierbei kommen Kolbenverdichter zum Einsatz .
Durch die Vorverdichtung in der Vorverdichtungseinrichtung 9 mittels Schraubenverdichtern auf typischerweise größer als 6 bar, beispielsweise 8 bar Ausgangsdruck, können die leistungsbegrenzenden Kolben des unteren Druckbereiches am Kolbenverdichter der Nachverdichterstation 13 entfallen, da bereits ein Vordruck bereitgestellt ist . Dies ermöglicht neben einer erheblichen baulichen Verkleinerung auch eine Förderstromerhöhung der einzelnen Kolbenverdichter . Somit kann die Anzahl der zentral angeordneten Kolbenverdichter in der Kolbenverdichterstation 13 reduziert und eine höhere Flexibilität erreicht werden . Die Anzahl der Kolbenverdichter ist damit im Wesentlichen nur noch durch Redundanzanforderungen definiert , welche j etzt als zentrale Kolbenverdichterstation 13 konzipiert ist und als Baueinheit mit N+ l Kolbenverdichtern und nicht als Baueinheit mit 2N Kolbenverdichtern ausgeführt werden kann . Zur Puf ferung und als druckbeladenes Gasreser- voir ist an die zentrale Sammelleitung 15 ein Druckgasspeicher 17 angeschlossen, der bedarfsweise sowohl über die Sammelleitung 15 als auch druckseitig über die Nachverdichterstation 13 mit Wasserstof f beladbar ist . Hierzu zweigt eine Gas-Rückführleitung 19 von einer druckseitigen Auslassleitung am Ausgang der Nachverdichterstation 13 ab und schließt an den Druckgasspeicher 17 an . In die Rückführleitung 19 ist ein Ventil 51 geschaltet sowie eine Druckminderungseinrichtung 21 eingebaut , so dass ein angepasster Beladungsdruck für den Druckgasspeicher 17 einstellbar ist , der gegenüber dem Enddruck von 30 bar der Nachverdichterstation 13 reduziert ist . Die Druckminderungseinrichtung 21 ist als Expansionsturbine 23 ausgeführt , was eine präzisen Beladungsdruck des Druckgasspeichers 17 ermöglicht . Überdies besteht die Möglichkeit , die bei der Expansion geleistete mechanische Arbeit der Expansionsturbine 23 für weitere Zwecke in dem Elektrolysesystem 1 zu nutzen, etwa zum Antrieb eines Generators . Weiterhin ist die Abkühlung des sich in der Expansionsturbine 23 entspannenden Wasserstof fs energetisch nutzbar, etwa als Kühlleistung in einem Kühlaggregat oder in einem Wärmtauscher . Bei Bedarf ist über den Druckgasspeicher 17 Wasserstof f bei dem vorgegebenen Ausgangsdruck der zentrale Sammelleitung 15 zuführbar . Ein stabiler und unterbrechungs freier Weiterbetrieb ist dadurch möglich für den Fall , dass die Wasserstof fzufuhr aus der Vorverdichtungseinrichtung 9 temporär reduziert oder gar durch eine Störung unterbrochen ist . Hierdurch ist eine Druckhaltung in der zentralen Sammelleitung 15 erreicht und ein stabiles Betriebsverhalten des Kolbenverdichters der Nachverdichterstation 13 sichergestellt . Dadurch ist auch ein Stand-By-Betrieb für die Nachverdichterstation 13 bei Bedarf möglich .
Auch das Anfahrverhalten bei der Inbetriebnahme der Verdichteranlage 7 bzw . einer oder mehrerer der Elektrolyseanlagen 3 , 3A, 3B, 3C in dem Elektrolysesystem 1 wird durch den Wasserstof fvorrat in dem Druckgasspeicher 17 verbessert . Dies kann insbesondere bei den Kolbenverdichtern der Nachverdichterstation 13 von Vorteil sein, da bereits über den Druckgas- Speicher 17 eine hinreichend große Menge an druckbeladenem Wasserstof f bevorratet ist , das unter einem Vordruck in der Sammelleitung 15 einspeisbar ist und dort bedarfsweise bereitgestellt werden kann .
Eine Elektrolysesystem 1 mit gegenüber FIG 2 weiteren technischen Ausstattungsmerkmalen ist in FIG 3 dargestellt . Im grundlegenden Anlagenkonzept entsprechen sich das in FIG 2 und FIG 3 gezeigten Elektrolysesystem 1 : Das Anlagenkonzept zeichnet sich durch eine zweistufige Verdichtung aus , mit einer Mehrzahl von als Schraubenverdichtern ausgestalteten Vorverdichtern 11 , 11A, 11B, denen eine zentrale Nachverdichterstation 13 ausgeführt als Kolbenverdichterstation strömungstechnisch nachgeschaltet ist . Die Kopplung der beiden Verdichtungsstufen erfolgt über die zentrale Sammelleitung 15 und die Anschlussleitung 59 , die an die Nachverdichterstation 13 anschließt zentral anschließt .
Auf Seiten der Elektrolyseanlagen 3 , 3A, 3B, 3C ist in FIG 3 eine Bypass-Leitung 25 vorgesehen, in die ein Gas zwischenspeicher 27 eingeschaltet ist . Das Gas zwischenspeicher 27 ist als Niederdruck-Gasspeicher für Wasserstof f ausgeführt . Die Bypass-Leitung 25 weist eine Anzahl von Abzweigleitungen auf , wobei eine Abzweigleitung an eine j eweilige Produktgas- Leitung 5 eine Elektrolyseanlage 3 , 3A, 3B, 3C angeschlossen ist . Der Anschluss an die Produktgas-Leitung 5 erfolgt in einem Leitungsabschnitt vor dem Eintritt in den entsprechenden zugeordneten Vorverdichter 11 , 11A, 11B . In eine Abzweigleitung ist j eweils ein Umschaltventil 61 eingebaut , so dass ein bidirektionaler Betrieb und Nutzung der Bypass-Leitung 25 erreicht ist . Mithin ist es möglich die Abzweigleitung zum Beladen oder Entladen des zentralen Gas zwischenspeichers 27 mit Wasserstof f zu nutzen . Das Umschaltventil 61 ist bedarfsweise auch vollständig in beide Strömungsrichtungen schließbar, so dass eine Abzweigleitung und der entsprechende Leitungsweg dann wahlweise versperrt ist . Der Gas zwischenspeicher 27 erfüllt eine wichtige Puf ferfunktion bzgl . Druckschwankungen des Elektrolysedrucks . Um die Puf ferfunktion des Gas zwischen- Speichers 27 aus zunutzen ist das Umschaltventil 61 in Richtung der Produktgas-Leitung of fenem Zustand betrieben . Wir in FIG 1 bereits dargetan wird im Betrieb des Elektrolysesystems 1 dadurch eine zuverlässige Konstantdruckregelung in dem Regelkonzept in gewissen Grenzen zusätzlich unterstützt durch den Gas zwischenspeicher 27 , da durch das große Speichervolumen und dessen Veränderung die Kompensation kleiner und kleinster Druckschwankungen im Sekundenbereich in einem Schwankungsbereich Bereich von 10 mbar bis zu einigen 100 mbar um den Drucksollwert von beispielsweise P = 1 , 1 bar erzielbar ist . Somit kann der Eingangsdruck der als Schraubenverdichter sehr ausgeführten Vorverdichter 11 , 11A, 11B auf einem vorgegebenen Soll-Druckwert konstant gehalten werden .
Zusätzlich ist an die Bypass-Leitung 25 eine Gas- Rückführleitung 57 angeschlossen, die von dem Druckgasspeicher 17 abgeht . In die Gas-Rückführleitung 57 ist ein Regelventil 63 eingebaut , so dass ein gegenüber dem Druck im Druckgasspeicher 17 reduzierter Beladungsdruck einstellbar ist . Hierdurch ist verdichteter Wasserstof f aus dem Druckgasspeicher 17 dem Gas zwischenspeicher 27 zuführbar . Insbesondere auch beim Anfahren der Elektrolyseanlagen 3 , 3A, 3B, 3C in dem Elektrolysesystem 1 - also mit noch verminderter Wasserstoffproduktion - kann so bereits Wasserstof f aus dem Gas zwischenspeicher 27 oder aus dem Druckgasspeicher 17 wahlweise ausgekoppelt werden, um die Verdichteranlage 7 bereits in einem günstigen Arbeitspunkt zu fahren und entsprechend mit Wasserstof f ausreichenden Volumenstroms und Drucks zu versorgen . Auch ist ein betriebsbedingter Teillastbetrieb einer Elektrolyseanlage 3 , 3A, 3B, 3C dadurch möglich, ohne die Verdichteranlage 3 nennenswert herunterregeln zu müssen .
Weiterhin ist der Anschlussleitung 59 , die an die zentrale Sammelleitung 15 anschließt , eine Kühlvorrichtung 29 geschaltet , die als Wärmetauscher mit einer Primärseite und eine Sekundärseite ausgeführt ist . Damit wird eine Kühlung des vorverdichteten und dadurch bereits auf eine höhere Temperatur erwärmten Wasserstof fs aus der Vorverdichtern 11 , 11A, 11B erreicht . Die Kühlung erfolgt dabei vorzugsweise durch eine Zugabe von Wasser und/oder Wasserstof f als Kühlmedium, das über eine Kühlleitung 33 zuführbar ist . Auf diese Weise ist eine kostengünstige und technisch einfach realisierbare Kühlung möglich, da sowohl Wasser als auch Wasserstof f in der Elektrolyseanlage verfügbar ist . Eine zweite Kühlvorrichtung 31 ist in die Auslassleitung 55 auf der Druckseite der Nachverdichterstation 13 eingebaut und der Nachverdichterstation 13 nachgeschaltet . Hier kann der schließlich auf einen Enddruck von z . B . 30 bar hochverdichtete und auf über 80 ° C erwärmte Wasserstof f als Produktgas erneut gekühlt werden . Die Kühlung in der Kühlvorrichtung 31 erfolgt dabei durch eine Zugabe von Wasser und/oder Wasserstof f durch eine Kühlleitung 33 . Das Kühlmedium verlässt anschließend die Kühlvorrichtung 31 durch die Leitung 53 . Bei der Kühlung des Wasserstof f- Produktstroms kondensiert zumindest ein Teil des im Gas befindlichen Wasserdampfes und das Kondensat kann über eine Rückführleitung 35 in den Elektrolyseur 3 , 3A, 3B, 3C zurückgeführt werden .
Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich insbesondere durch eine besonders vorteilhaft ausgeführte Umsetzung eines zweistufigen Verdichtungskonzept in einem Elektrolysesystem 1 für große Leistungen über 100 MW . Das Konzept umfasst in vorteilhafter Kombination eine Vorverdichtungseinrichtung 9 , mit bevorzugt als Schraubenverdichter ausgeführten Vorverdichtern 11 , 11A, 11B, sowie mit einer zentralen Nachverdichterstation 13 , die bevorzugt als Kolbenverdichterstation ausgestaltet ist . Das Elektrolysesystem 1 ist damit in seiner besonders ausgestalteten Form für großskalige Elektrolyseanlagen angepasst und einsetzbar . Durch dieses vorteilhafte Anlagenkonzept können sowohl Kosteneinsparungen durch den Wegfall der Niederdruckstufen am vorzugsweisen Kolbenverdichter der Nachverdichterstation 13 als auch durch eine mögliche verringerte Redundanz der bevorzugten Schraubenverdichter erreicht werden . Ein weiterer Vorteil ist die mögliche Leistungserhöhung des Kolbenverdichters durch den höherem Eintrittsdruck durch den bereits in der Vorverdichtungseinrichtung 9 vorverdichte- ten Wasserstof fs . Dadurch ist bei Elektrolyseanlagen großer Leistung auch die Anzahl der Verdichter reduzierbar mit entsprechenden Kostenvorteilen für Errichtung und Betrieb . Darüber hinaus wird ein großer und herkömmlicher Kolbenverdichter mit erheblichen Montageaufwand auf der Baustelle auf einem kompli zierten Fundament - sowohl geometrisch als auch Schwingungstechnisch - zusammengebaut . Schraubenverdichter können als so genannte Skid-basierte Lösung auf die Baustelle verbracht werden und benötigen lediglich ein einfaches Fundament . Wenn bei höherem Druck mit der Nachverdichtung in einem Kolbenverdichter begonnen wird, können auch hier Skid- basierte Aufstellung zum Einsatz kommen , oder wenige große zentrale Verdichtersysteme für sehr große Elektrolysemassen- ströme verwendet werden . Die zu erwartende Aufwandseinsparung ist erheblich .

Claims

Patentansprüche
1. Elektrolysesystem (1) mit einer Mehrzahl von Elektrolyseanlagen (3, 3A, 3B, 3C) , die jeweils einen Elektrolyseur mit einer jeweiligen Produktgas-Leitung (5) aufweisen, mittels derer ein Produktgas aus der Elektrolyseanlage (3, 3A, 3B, 3C) herausleitbar ist, und mit einer Verdichteranlage (7) umfassend eine Vorverdichtungseinrichtung (9) mit einer Mehrzahl von Vorverdichtern (11, 11A, 11B) , eine Nachverdichterstation (13) und eine zentrale Sammelleitung (15) , wobei die Produktgas-Leitung (5, 5A, 5B, 5C) eingangsseitig an einen Vorverdichter (11, 11A, 11B) und die Vorverdichter (11, 11A, 11B) ausgangsseitig an die zentrale Sammelleitung (15) angeschlossen sind, und wobei die Nachverdichterstation (13) an die zentrale Sammelleitung (15) angeschlossen ist.
2. Elektrolysesystem (1) nach Anspruch 1, bei der die Vorverdichter (11, 11A, 11B) auf annähernd atmosphärischen Eingangsdruck ausgelegt sind und die Verdichterleistung der Vorverdichter (11, 11A, 11B) auf einen Ausgangsdruck von maximal 10 bar begrenzt ist.
3. Elektrolysesystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Vorverdichter (11, 11A, 11B) in räumlicher Nähe zu der Elektrolyseanlage (3, 3A, 3B, 3C) ) angeordnet sind, wobei der Leitungsweg der jeweiligen Produktgas-Leitung (5) minimiert ist.
4. Elektrolysesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der in der Vorverdichtungseinrichtung (9) die Verdichter (11, 11A, 11B) als Schraubenverdichter ausgestaltet sind.
5. Elektrolysesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Nachverdichterstation (13) als eine zentrale Nachverdichterstation (13) ausgeführt und auf einen Enddruck von mindestens 20 bar, insbesondere mindestens 30 bar, ausgelegt ist.
6. Elektrolysesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Nachverdichterstation (13) als eine Kolbenverdichterstation mit einer Anzahl von Kolbenverdichtern ausgestaltet ist.
7. Elektrolysesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem an die zentrale Sammelleitung (15) angeschlossenen Druckgasspeicher (17) .
8. Elektrolysesystem (1) nach Anspruch 7, mit einer druckseitig von der Nachverdichterstation (13) abzweigenden Gas- Rückführleitung (19) , die an den Druckgasspeicher (17) angeschlossen ist.
9. Elektrolysesystem (1) nach Anspruch 8, mit einer in die Rückführleitung (19) eingebauten Druckminderungseinrichtung (21) , die insbesondere als Gasentspannungsturbine (23) ausgeführt ist.
10. Elektrolysesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Vorverdichtungseinrichtung (9) eine Bypass-Leitung (25) aufweist, in die ein Gaszwischenspeicher
(27) geschaltet ist, wobei die Bypass-Leitung (25) an die Produktgas-Leitung (5) angeschlossen ist.
11. Elektrolysesystem (1) nach Anspruch 10, bei dem der Gaszwischenspeicher (27) als ein Konstantdruck-Kolbenspeicher ausgestaltet ist, so dass der Druck nach der Elektrolyse und vor der Verdichtung auf einem konstanten Eingangsdruck einstellbar ist.
12. Elektrolysesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Kühlvorrichtung (29) zum Kühlen des Produktgases vorgesehen ist, die den Vorverdichtern (11, 11A, 11B) nachgeschaltet ist.
13. Elektrolysesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Kühlvorrichtung (31) zum Kühlen des Produktgases der Nachverdichterstation (13) auf deren Druckseite nachgeschaltet ist.
14. Elektrolysesystem (1) nach Anspruch 12 oder 13, bei dem die Kühlvorrichtung (29, 31) , insbesondere ein Wärmetauscher für eine Zugabe von Wasser und/oder Wasserstoff als Kühlmittel über eine Kühlleitung (33) ausgelegt ist.
15. Elektrolysesystem (1) nach Anspruch 12, 13 oder 14, bei der die Kühlvorrichtung (29, 31) für eine zumindest teilweise Kondensation des im Produktgas befindlichen Wasserdampfes ausgelegt ist und eine Kondensat-Rückführleitung (35) für das Kondensat aufweist, welche in eine Elektrolyseanlage (3, 3A, 3B, 3C) mündet.
16. Elektrolysesystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine Regeleinrichtung (37) vorgesehen ist, an die die Vorverdichter (11, 11A, 11B) angeschlossen sind, so dass die Vorverdichter (11, 11A, 11B) auf einen eingangsseitigen Elektrolysedruck regelbar sind.
17. Elektrolysesystem (1) nach Anspruch 16, bei der die Regeleinrichtung (37) derart ausgestaltet ist, dass eine Drehzahl- und Bypassregelung durchführbar ist.
18. Elektrolysesystem (1) nach Anspruch 16 oder 17, gekennzeichnet durch eine zweistufige Regeleinrichtung (37) , die als erste Regelstufe (37A) eine führende Leistungsregelung und als zweite Regelstufe (37B) eine stabilisierende Druckregelung aufweist, so dass ein geregeltes Zusammenwirken von Elektrolyse und Verdichtung bewirkt ist.
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