Elektrolyse system

Die Erfindung betrifft ein Elektrolysesystem, umfas send mindestens eine Elektrolyseanlage sowie eine Stromversorgungsquelle mit einem Gleichspannungsausgang und eine zentrale Versorgungsleitung . Die Erfindung betrifft weiterhin eine Verwendung .

Bei der Elektrolyse können durch Einprägen eines elektrischen Stroms durch geeignete Zellelemente Redoxreaktionen erzwungen werden , die mit Stof f Umwandlungen verbunden sind . Eine Vorrichtung zu diesem Zweck wird Elektrolyseur genannt und kann zur Erzeugung wichtiger Grundstoffe der chemis chen Industrie eingesetzt werden . Vielfach sind Anoden- und Kathoden- Halbräume mittels Diaphragmen (bzw . Membranen ) getrennt , die elektrische Leitfähigkeit ( Ionen- und/oder Protonen- Austausch ) ermöglichen , j edoch Stof f austausch verhindern . Wenn in Elektrolyseuren flüs sige Ele ktrolyte eingesetzt werden , die durch die Stof f Umwandlung verändert bzw . verbraucht werden , können die se durch entsprechende Zuleitungen und Ableitungen während des Prozes ses fortlaufend erneuert werden . Den Stof f Umwandlungsraten sind für gegebene Zellelemente in der Regel enge Grenzen aufgrund von Stromdichtelimitierungen gegeben . Für den großtechnis chen Einsatz mus s daher zur Erhöhung der Stof f Umwandlungsraten die a ktive Zellelementfläche erhöht werden . Die s kann durch Vergrößerung der Zellelemente oder durch den gleichzeitigen Betrieb einer Mehrzahl von kleineren Zellelementen erreicht werden . Eine technisch sinnvolle und häufig angewendete Methode ist die Anordnung von vielen ( gleichen ) Zellelementen zu einem Stapel . Die elektrische Verbindung der Zellelemente eines Stapels stellt dabei eine Reihenschaltung dar , d . h . die Anode eines Zellelements N wird mit der Kathode de s Zellelement s N+l und die Kathode de s Zellelements N wird mit der Anode de s Zellelements N-l elektrisch leitend verbunden . Durch die Reihenschaltung wird zudem die geringe Zellelementspannung von wenigen Volt auf bspw. mehrere hundert Volt vervielfacht.

Die hydraulische Verschaltung der Zellelemente eines Stapels zur Versorgung mit frischen Elektrolyten stellt hingegen eine Parallelschaltung dar. Durch die hydraulische Verschaltung der Zellelemente zu einem Stapel werden zusätzliche und unerwünschte elektrisch leitfähige Verbindungen zwischen allen Zellelementen geschaffen. Beim Betrieb des Stapels von Zellelementen, d.h. dem Anlegen einer elektrischen Spannung bzw. dem Einprägen eines elektrischen Stromes vom ersten zum letzten Zellelement fließt ein elektrischer Arbeitsstrom durch alle Zellelemente hindurch: Jedoch auf den verschiedenen parallelen Strompfaden fließen zusätzlich unerwünschte sogenannte elektrische Streuströme. Diese elektrischen Streuströme führen insbesondere an dem ersten und letzten Zellelement eines Stapels zu lokalen Stromdichtüberhöhungen nahe an den Zuleitungen und Ableitungen der Elektrolyten. Dies kann zur vorzeitigen Alterung und Zerstörung der Membranen und zum Ausfall des gesamten Stapels führen.

In der DE 10 2020 206 341 Al ist ein Verfahren zum Korrosionsschutz eines Elektrolysestack umfassend mehrere Zellstapel respektive Module beschrieben sowie ein entsprechender Elektrolysestack. Das Verfahren ist insbesondere für einen zuverlässigen Korrosionsschutz einer C0 ₂ -Elektrolyse in einem Stillstandbetrieb oder zu Transportzwecken des Elektrolysestacks .

Großes wirtschaftliches Interesse und Entwicklungsanstrengungen liegen bei der elektrolytischen Erzeugung von Wasserstoff als Produkt einer elektrochemischen Zerlegung von Wasser als Ausgangsstoff im industriellen Maßstab. Heutzutage wird Wasserstoff beispielsweise mittels einer Proton Exchange Membrane ( PEM) -Elektrolyse , einer Anion Exchange Membrane oder einer alkalischen Elektrolyse aus Wasser erzeugt. Die Elektrolyseanlagen produzieren mit Hilfe elektrischer Energie Wasserstoff und Sauerstoff aus dem zugeführten Wasser. Es finden aber auch Elektrolyseanlagen basierend auf alkalischer Elektrolyse vielfach Anwendung.

Aktuelle Überlegungen gehen dahin, mit überschüssiger Energie aus erneuerbaren Energiequellen in Zeiten mit viel Sonne und viel Wind, also mit überdurchschnittlicher Solarstrom- oder Windkrafterzeugung, Wertstoffe zu erzeugen. Ein Wertstoff kann insbesondere Wasserstoff sein, welcher durch entsprechende Wasser-Elektrolyseanlagen erzeugt wird. Auf Basis von Wasserstoff kann beispielsweise sogenanntes Erneuerbare- Energien-Gas - auch als EE-Gas bezeichnet, hergestellt werden. Ein EE-Gas ist ein brennbares Gas, welches mit Hilfe elektrischer Energie aus erneuerbaren Quellen gewonnen wird.

Eine Quelle für erneuerbare Energien ergibt sich aus der zunehmenden Windkraftnutzung. Insbesondere mit küstennahen, sogenannten Of f shore-Windenergieanlagen lassen sich große elektrische Leistungen realisieren. Herausfordernd ist allerdings, dass eine große Distanz zu den Verbrauchern zu überwinden ist. Die Energie sollte also möglichst verlustfrei zum Verbraucher transportiert werden. Als Transportmedium und Energieträger eignet sich sehr gut Wasserstoff. Dieser kann zum Beispiel durch Pipelines in gasförmiger Form transportiert werden. Ein positiver Nebenaspekt hierbei ist, dass eine Wasserstoff-führende Pipeline gleichzeitig die Funktion eines Energiespeichers erfüllen kann, da der innere Druck in gewisssen Grenzen variiert werden kann.

Aus diesen Überlegungen heraus ist es von besonderem wirtschaftlichen Interesse, den Wasserstoff direkt am Ort der Energiegewinnung, also autark und unabhängig vom öffentlichen Netz, zu produzieren. Hierzu ist vorgeschlagen, die Elektrolyseanlagen auf Of f shore-Plattf ormen im maritimen Bereich direkt an Of f shore-Windenergieanlagen oder in deren unmittelbarer Nähe zu installieren und mit dem erzeugten Windstrom elektrisch direkt durch eine Windeenergieanlage zu versorgen und das Elektrolysesystem in einem so genannten Inselnetz zu betreiben, welches netzunabhängig vom öffentlichen Netz ist. Auch für das Festland wurden solche Konzepte vorschlagen , den Strom aus Onshore-Windenergieanlagen oder auch Fotovoltaikanlagen zumindest teilweise durch eine direkte Anbindung an und Einspeisung in eine Elektrolyseanlage unmittelbar für eine Was serstoff erzeugung zu nut zen . In all diesen autarken Anwendungen i st die Ele ktrolyseanlage Teil eines so genannten Inselnetzes . Der Elektrolyse strom wird in diesem Elektrolysesystem al so regelmäßig nicht aus dem öffentlichen Netz bezogen , sondern in einem Verbund direkt von einer Windenergieanlage oder einer PV-Anlage geliefert über eine Versorgungsleitung in einen Elektrolyseur der Elektrolyseanlage eingespeist . Dabei kann möglicherweise noch eine Zwis chenspeicherung der von einer Windenergieanlage oder eine PV-Anlage erzeugten ele ktris chen Energie beispielsweise in einer Batterie erfolgen .

Im Gegensatz zu dem oben erwähnten netzgeführten Betrieb bringt der Inselnetzbetrieb j eweils besondere Herausforderungen und Probleme des Ele ktrolysesystems hinsichtlich der elektrotechnis chen Anbindung und Vers chaltung der Elektrolyseanlage mit der j eweiligen EE-Erzeugungsanlage mit sich , sei es eine Windenergieanlage oder eine Fotovoltaikanlage , insbesondere um einen sicheren und vor allem störungsfreien Betrieb der Ele ktrolyseanlage in einem unmittelbaren Anlagenverbund mit der EE-Erzeugungsanlage zu gewährlei sten .

Eine hierbei besonders zu berücksichtigende Problematik ist , das s bei einem ein integriertes und autarkes Inselnetz bildendes Elektrolyse system, bei den darin angeschlos senen Elektrolyseanlagen die Was serstoff elektrolysezellen - von den Modulen ausgehend - ent sprechende elektri sche Streuströme gegen Erde ausbilden . Die se Streuströme fließen über die Prozes swas serleitungen und führen an diesen - auch bei aus reichenden I solations strecken - zu unerwünschten Korrosions schäden . Dabei werden Metallionen in das Prozes swa s ser abgegeben , die insbe sondere an den ( PEM) -Membranen zu irrevers iblen Schädigungen , bzw . einer bes chleunigten Alterung führen . In Anwendungen sowohl einer PEM-Ele ktrolyse als auch bei alkalischen Ele ktrolysesystemen reduzieren diese Streuströme zudem den Wirkungsgrad . Die Korros ionseffe kte durch Streuströme sind daher so weit wie möglich zu reduzieren .

Eine Reduzierung der elektri schen Streuströme kann beispielweise durch eine Erhöhung der elektrischen Widerstände der Zuleitungen und Ableitungen der Elektrolyte erreicht werden . Die bisherige Lösung sieht vor , die Zuleitungen und Ableitungen zu verlängern , womit sich bei gleichbleibenden Querschnittsf lächen eine Widerstandserhöhung ergibt . Die Leitungsverlängerungen führen j edoch nachteilig zu erhöhten Strömungswiderständen und erhöhtem Materialbedarf zur Fertigung und entsprechenden Mehrkosten für die Errichtung . Dies ist besonders problematisch gerade in abgelegenen Auf stellungsorten einer Elektrolyseanlage in einem dann notwendigen oder erwünschten Inselnetzbetrieb , also in Situationen , wo eine Anbindung der Elektrolyseanlage an das öf fentliche Stromnetz technisch oder wirtschaftlich nicht oder nur mit erheblichem Aufwand möglich wäre .

Es besteht al so ein erhöhter Bedarf daran , kostengünstige Wege auf zuzeigen , wie hier Abhilfe bei der Korrosionsproblematik geschaffen werden kann , um die Betriebs zeiten eines Elektrolysesystems bei Ausge staltung als Inselnetz zu verbes sern .

Es i st daher die Aufgabe der Erf indung ein Ele ktrolysesystem anzugeben , da s für einen net zunabhängigen Betrieb , insbesondere im Verbund mit einer Windenergieanlage oder mit einer Solaranlage , ausgelegt ist und welches dabei eine geringe Korrosionsneigung durch Streuströme aufweist .

Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Elektrolysesystem umfas send eine Elektrolyseanlage und eine Stromversorgungsquelle mit einem Gleichspannungsausgang und umfas send eine zentrale Versorgungsleitung , wobei die zentrale Versorgungsleitung an den Gleichspannungsausgang der Stromversorgungsquelle angeschlossen ist, so dass ein Gleichstrom in die zentrale Versorgungsleitung einspeisbar ist, wobei ein auf die Gleichspannung ausgelegter zentraler DC- Hochleistungs sträng bereitgestellt ist, an den die Elektrolyseanlage über die zentrale Versorgungsleitung angeschlossen ist, wobei die Stromversorgungsquelle und der DC- Hochleistungs sträng als Komponenten eines gegenüber Erde isoliertes Netzes ausgestaltet sind.

Die Erfindung geht dabei bereits von der Erkenntnis aus, dass in einem Elektrolysesystem mit Anbindung und Versorgung durch das öffentliche Wechselstromnetz mit einem Transformator eine galvanische Trennung erzielt ist und der Hochstrom- Elektrolysestromkreis daher bereits als isoliertes Netz betrieben oder an einem Punkt an den Modulen geerdet werden kann. Allein dadurch, dass es für den Streustrom durch die Prozesstechnik der Elektrolyseanlage keinen guten elektrischen Rückleiter ergibt, bzw. keine Erdschleife gebildet wird, wird der Strom reduziert.

Soll Elektrolyse jedoch in einem Inselnetz betrieben werden, beispielsweise als Elektrolysesystem umfassend eine Offshore- Windenergieanlage ausgeführt, oder auch On-Shore in entlegenen Landstichen, oder als Solaranlage, ist kein Wechselspannungsnetz vorhanden oder in der Nähe, mit dem ein Transformator zur galvanischen Entkopplung betrieben werden könnte. In diesen Aufstellungssituationen einer Elektrolyseanlage wäre es unwirtschaftlich, eigens einen Wechselspannungs- Zwischenkreis für einen Transformator zu errichten. Dies würde zu hohen zusätzlichen Gestehungskosten und Betriebskosten führen. Daher wäre diese Ausgestaltung und Anlehnung an das öffentliche Stromnetz für den Betrieb eines Elektrolysesystems in einem Inselnetz nachteilig.

Um für ein Inselnetz, d.h. für einen netzunabhängigen Betrieb, eines Elektrolysesystems neben dem Anschluss- und Übertragungsproblem, die Korrosionsproblematik möglichst ef- fizient und vor allem betriebssicher zu reduzieren, schlägt die Erfindung die Anbindung bzw. Integration der Elektrolyseanlage an ein dafür eigens eingerichtetes zentrales DC-Netz vor, welches erdfrei ausgeführt ist. Dabei ist durch den zentralen DC-Hochleistungsstrang und allen daran angeschlossenen Betriebskomponenten ein so genanntes IT-Netz (IT: isole terre) gebildet. Die das IT-Netz des Elektrolysesystems bildenden Betriebskomponenten, wie beispielsweise der Stromerzeuger oder Generator der Stromversorgungsquelle, die zentrale Versorgungsleitung und die Elektrolyseanlage sind dabei sämtlich erdfrei ausgeführt. Die die Betriebsspannung liefernde Stromversorgungsquelle ist somit gegen Erde isoliert, d.h. daher im Allgemeinen offen oder über eine symmetrische und hochohmige Erdung des Elektrolysesystems ausgeführt. Es besteht im Normalbetrieb daher keine niederohmige Verbindung zwischen den aktiven Teilen des IT-Netzes und Erde bzw. Schutzleiter. Der zentrale DC-Hochleistungsstrang ist dabei Teil des gesamten IT-Netzes, wobei das IT-Netz auch die daran angeschlossenen Betriebskomponenten des Elektrolysesystems umfasst, wie etwa die Stromversorgungsquelle mit dem Gleichspannungsausgang und die Elektrolyseanlage.

Mit dem Konzept der Erfindung geht es mithin darum, schon vom Generator aus den gesamten Versorgungsstrang inklusive des bereitgestellten DC-Hochleistungsstrangs und der Elektrolyseanlage als IT-Netz auszugestalten und zu betreiben, um die korrodierenden Streuströme in der Elektrolyse zu vermeiden. Gegenüber einem netzgeführten Betrieb kann vorteilhafterweise auf einen AC-Zwischenkreis zur galvanischen Entkopplung verzichtet werden. Mit dem vorgeschlagenen Elektrolysesystem ist somit ein isolierter DC-Hochleistungsstrang in einem Elektrolysesystem realisiert, so dass ein Inselnetzbetrieb bei Anschluss der Elektrolyseanlage mit einer Erneuerbaren-Energie- Anlage (EE-Anlage) , wie etwa eine Windenergieanlage oder eine Fotovoltaanlage, an die zentrale DC-Versorgungsleitung möglich ist. Durch die Einsparung der galvanischen Entkopplung im zentralen Hochleistungsstrang ist die Lösung deutlich kompakter, leichter und günstiger. Der Hochleistungsstrang be- findet sich in diesem Fall mit allen Leitern auf einem elektrisch Undefinierten Potential gegen Erde.

Das von dem isolierten Hochleistungs sträng des Elektrolysesystems gebildete DC-Netz stellt die vorgegebene Hochspannung und elektrische Gleichstromleistung auf der zentralen Versorgungsleitung bereit und fungiert als Übertragungs- und Verteilnetz für den Gleichstrom. Über das zentrale und erdfreie DC-Netz wird die erforderliche Übertragungsleistung von der Stromversorgungsquelle zu der Elektrolyseanlage gebracht, so dass der Elektrolyse-Gleichstrom zur Verfügung steht. Die Hochspannung des DC-Netzes ist dabei flexibel auf einen erforderlichen Gleichspannungs-Anschlusswert wählbar und einstellbar. Zugleich sind durch die Vermeidung bzw. Reduzierung von elektrischen Streuströmen, insbesondere durch die Prozesstechnik der Elektrolyseanlage die Korrosionseffekte verringert und damit Wartung- und Servicekosten reduziert. Eine Erhöhung der Betriebszeit ist durch das Elektrolysesystem der Erfindung weiter begünstigt.

In besonders bevorzugter Ausgestaltung des Elektrolysesystems weist dieses einen Isolationswächter aus, so dass ein minimaler Isolationswiderstand des isolierten Netzes gegenüber Erde überwachbar ist und ein Isolationsfehler detektierbar .

Der Isolationswiderstand ist bevorzugt hochohmig, so dass eine hochohmige Erdung auf einen vorgegebenen Mindest- Isolationswiderstand ausgelegt ist, der im Betrieb nicht unterschritten werden darf. Hierzu ist ein Isolationswächter vorgesehen, der als Schutzelement dient, und mit dem der Isolationswiderstand überwachbar bzw. anzeigbar ist, so dass Alarmsignale gegeben und Maßnahmen getroffen werden können.

Die Verwendung des isolierten DC-Netzes macht den Einsatz eines Isolationswächters als Schutzelement sehr vorteilhaft.

Bei einem einfachen Erdschluss kann das Elektrolysesystem weiter betrieben werden, insbesondere die Elektrolyseure der Elektrolyseanlage, da keine unmittelbare Gefährdung entsteht, was die Verfügbarkeit erhöht.

Der Isolationswächter oder auch Isolationsüberwachungsgerät überwacht den Isolationszustand des IT-Netzes, beispielsweise lokale Niederspannungsnetze ohne betriebsmäßig geerdeten Sternpunkt. Er meldet die Unterschreitung eines minimalen Isolationswiderstandes. Früher wurde dazu lediglich eine Strom- oder Spannungsmessung gegen Erde durchgeführt (Symmetrieabweichung) , heute ist jedoch gefordert, dass auch symmetrische Isolationsfehler zuverlässig erkannt werden, was zusätzlich einen Prüfstrom erfordert. Im Fehlerfall, bei Überschreitung des Isolationsfehlerstromes, kann entweder nur eine Warnung abgegeben oder auch eine Abschaltung des betreffenden Netzabganges durchgeführt werden.

In vorteilhafter Ausgestaltung ist der Isolationswächter Ein- Fehler-tolerant ausgeführt, dass also ein einfacher Fehler (einpoliger Erdschluss) nicht zu einem Ausfall der Stromversorgung oder des betreffenden Abganges in dem Elektrolysesystem führt. Auf diese Weise ist die Stromversorgungsquelle bzw. deren Abgänge in dem isolierten IT-Gleichspannungsnetz wirksam geschützt.

Ein erster Erdschluss ist in dem IT-Netz deswegen unschädlich, weil die lediglich durch Leitungskapazitäten und Isolationswiderstände des Elektrolysesystems und deren Betriebsmittel hervorgerufenen Ströme klein sind. Bei kleiner räumlicher Ausdehnung des Elektrolysesystems bzw. des durch dieses gebildeten IT-Netzes sind die Ableitströme im Fehlerfall so klein, dass sie auch ungefährlich sind.

Vorteilhafterweise erkennt der Isolationswächter Erdschlüsse, Unsymmetrien und zu geringe Isolationswiderstände des IT- Netzes. Er misst hierzu die Symmetrie der Spannungen beider Netzpole gegen Erde. Sind die Ableitströme der beiden Netzpole gleich, bleibt die Symmetrie erhalten. Im Betrieb wird ein Hochspannungs-Gleichstrom mit einer vorgegebenen Hochspannung deutlich oberhalb der üblichen Netzspannung an den Anschlüssen der zentralen Versorgungsleitung bereitgestellt. Somit sind in dem IT-Netz die Elektrolyseure der an die zentrale DC-Bus-Leitung angeschlossenen Elektrolyseanlage zentral über ein Gleichstromnetz individuell versorgbar .

Vorzugsweise weist die Stromversorgungsquelle daher einen Aufwärtswandler mit einem Gleichspannungsausgang auf, mittels dessen eine vorgegebene Hochspannung für die zentrale Versorgungsleitung in dem IT-Netz bereitstellbar ist.

Der Aufwärtswandler, auch Hochsetzsteller oder Aufwärtsregler, englisch Boost-Converter oder Step-Up-Converter , ist in der Elektronik eine Form eines Gleichspannungswandlers. Der Betrag der Ausgangsspannung ist stets größer als der Betrag der Eingangsspannung. Damit kann das Gleichspannungsniveau am Gleichspannungsausgang flexibel an die vorgegebene Hochspannung auf der zentralen DC-Versorgungsleitung angepasst werden. Die Verwendung eines Hochsetzstellers kann insbesondere in Zusammenschaltung mit einem PV-Generator als Stromversorgungsquelle vorteilhaft sein, wobei die PV-Gleichspannung hochgesetzt wird, so dass am Gleichspannungsausgang die vorgegebene Hochspannung für die Einspeisung in die zentrale Versorgungsleitung bereitgestellt ist.

Bevorzugt ist der Aufwärtswandler als ein regelbarer Aufwärtswandler ausgeführt mit einem Gleichspannungsausgang, über den in dem IT-Netz eine vorgegebene Hochspannung auf der zentralen Versorgungsleitung mit einer Ausgangsspannung oberhalb 1,5 kV, insbesondere oberhalb 10 kV, bereitstellbar ist.

Besonders bevorzugt ist der regelbare Aufwärtswandler so ausgelegt, dass eine Gleichspannung bei einem Hochspannungsniveau von 10 kV bis 110 kV, vorzugsweise 30 kV bis 60 kV, bereitstellbar ist. In bevorzugter Ausgestaltung des Elektrolysesystems weist die Stromversorgungsquelle als Stromerzeuger eine Windenergieanlage auf, an die ein Gleichrichter mit einem Gleichspannungsausgang angeschlossen ist, wobei der Gleichspannungsausgang auf die Hochspannung im zentralen DC-Hochleistungsstrang ausgelegt ist.

Auf diese Weise ist in dem Elektrolysesystem über die zentrale als IT-Netz ausgeführte DC-Versorgungsleitung eine Anbindung bzw. ein Gleichstromanschluss und Versorgung der Elektrolyseanlage durch eine Windenergie- oder Fotovoltaikanlage erreicht, wobei ein betriebssicherer Inselnetzbetrieb besonders vorteilhaft erreicht ist. Wird das Elektrolysesystem in einem Inselnetz betrieben, so erfolgt keine Anbindung an das öffentliche Stromnetz. Somit ist die Netzfrequenz des öffentlichen Stromnetzes von 50 Hz bis 60 Hz unbeachtlich für die Auslegung und den Betrieb der elektrischen Komponenten im gleichstrombetriebenen IT-Netz. Insbesondere entfallen Kosten für Komponenten und Umwandlungsverluste , beispielsweise Transformatoren, oder für die erforderliche Umrichtung, Übertragung oder erneute Gleichrichtung. Hierdurch kann sich zukünftig eine günstigere Kostenposition ergeben, bei gleichzeitiger Flexibilität im Betrieb oder etwa bei der Auslegung und Auswahl der Anschlusskomponenten im DC-Netz. Ein netzfrequenzunabhängiger Betrieb ist mit der als DC-Bus ausgestalteten zentralen Versorgungsleitung erzielt, die Teil des isolierten DC-Hochleistungsstrangs ist. Je nach Auslegung des DC-Hochleistungsstrang als IT-Netz kann der Gleichspannungsausgang des Gleichrichters bereits direkt die Hochspannung bereitstellen . Es ist aber auch möglich, dass ein regelbarer Aufwärtswandler dem Gleichrichter nachgeschaltet ist, dessen Gleichspannungsausgang eine vorgegebene Hochspannung auf dem DC-Hochleistungsstrang liefert.

Durch das isolierte DC-Netz ist es somit vorteilhaft möglich, in kostengünstiger Weise bei Bedarf auch größere Abstände und Leitungswege zwischen den Stromerzeugern und den Elektrolyseanlagen zu überwinden, ohne eine erneute AC-Umwandlung für eine Hoch- und Abwärtstransformation durchführen zu müs sen , die nur mittels mehrerer und teurer Trans formatoren zu bewerkstelligen ist . Kleinere Abstände und kompa kte Elektrolysesysteme sind bei einem IT-Netz aber vorteilhafter hinsichtlich der Gewährlei stung einer be s seren Symmetrie der Netzpole und geringerer Spannungen aufgrund geringerer räumlicher Abstände der Schutzerdung der Gehäuse der Betriebsmittel , wie etwa der Turm der Windenergieanlage und der Prozes stechnikeinheit der Elektrolyseanlage . Insbe sondere werden alle leitfähigen , aber nicht zum Betriebs stromkrei s gehörenden Komponenten entweder einzeln oder gemeinsam geerdet , oder die Komponenten werden ggf . gemeinsam mit der Schutzerdung des Systems verbunden Bei kleiner räumlicher Ausdehnung de s Netzes sind die Ableitströme im Fehlerfall so klein , das s sie auch ungefährlich sind, weshalb generell eine kleinere räumliche Ausdehnung und kompakte Auf stellung des DC-Hochleistungs- strangs zu bevorzugen i st .

Vorzugsweise ist in dem Elektrolysesystem eine Elektrolyseanlage am Fuß des Turms einer Windenergieanlage angeordnet und als Betriebsmittel in dem IT-Net z direkt an die zentrale Versorgungsleitung für Gleichstrom ange schlos sen . Es i st insbesondere bei ggf . entlegenen On-shore Windenergieanlagen vorteilhaft in dem Elektrolysesystem eine Elektrolyseanlage in der Nähe der Windenergieanlage an die zentrale isolierte DC- BUS-Leitung des isolierten DC-Hochleistungs strangs anzuschließen . Wenn dann bevorzugt DC/DC-Wandler eingesetzt verwendet werden , ist die Versorgungsleitung mit einer hohen Gleichspannung ausgeführt und belastet , so das s Materialeinsatz , wie insbesondere Kupfer und Aluminium verringert und die Herstellungs kosten entsprechend gesenkt sind .

Bevorzugt wei st in dem Elektrolysesystem die Elektrolyseanlage eine Anzahl von in Serie geschalteten Elektrolysemodulen auf , so das s eine Modulreihe gebildet ist .

Jede s der Ele ktrolysemodule kann dabei in vorteilhafter Ausführung sowohl körperlich al s auch funktional eine Baueinheit sein, in der eine Vielzahl von Elektrolysezellen gestapelt sind. Durch das modulare Konzept der Elektrolyseanlage ist eine Modulreihe einfach erweiterbar zu einem Elektrolysestack umfassend mehrere Module, beispielsweise 5 bis 10 Module für eine Modulreihe.

Bevorzugt ist in einer Modulreihe eine zuschaltbare, elektrisch leitfähige Erdverbindung mit einem vorgegebenen Erdungswiderstand vorgesehen, mittels derer eine Steuerung von Streuströmen durchführbar ist.

Dadurch ist eine Schutzerdung am Gehäuse bereitgestellt, die am Gehäuse eines Moduls angebracht ist, beispielsweise an dem vom elektrischen Anschluss an die zentrale isolierte DC- Versorgungsleitung betrachtet, abgewandten letzten Modul einer Modulreihe. Die Schutzerdung kann zusätzlich als geerdete Struktur am Gehäuse der Stromversorgungsquelle, beispielsweise am Turm einer Windenergieanlage, ausgeführt sein. Somit ist optional auch eine Zweipunkt-Schutzerddung in dem Elektrolysesystem realisiert, was im Zusammenspiel mit dem Isolationswächter Vorteile bringt. Zudem ist durch die zuschaltbare, elektrisch leitende Erdverbindung eine Entladung beispielsweise für Wartungszwecke an dem isolierten Netz, insbesondere an dem DC-Hochleistungsstrang, auf einfache Weise möglich .

Somit sind residuale Streuströme und Erdschleifen vermieden. Vorzugsweise ist dabei die Schutzerdleitung an dem letzten Modul einer Modulreihe vorgesehen, wobei ein definierter Widerstand für Erdverbindung einstellbar ist. Dies ist zur Einstellung und Minimierung von schädigenden Streuströmen günstig, die an der Prozesstechnikeinheit entstehen. Der jeweilige Abgriff der Schutzerdleitung an einem Modul einer Modulreihe ist aber je nach Gleichspannung flexibel anpassbar hinsichtlich der Gleichspannung und deren Polarität an dem Gleichspannungsausgang.

Wenn als Gleichspannungsausgang eines verwendeten Gleichrich- ters beispielsweise eine Gleichspannung von +250 V und -250 V auf beiden Polen ausgibt, so erfolgt vorteilhaft die Erdung über die Schutzerdleitung in der Mitte der Elektrolysereihe, wo die Spannung ohnehin nahezu 0 V ist.

Wenn der Gleichspannungsausgang eines verwendeten Gleichrichters aber beispielsweise eine Gleichspanung +500 V und 0 V auf beiden Polen ausgibt, dann erfolgt die Erdung über die Schutzerdleitung bevorzugt am letzten Modul, da dann dort die Spannung gegen Erde nahezu 0 V ist.

Einer noch bestehenden Streustromproblematik infolge der hydraulischen Verschaltung der Zellelemente eines Stapels zur Versorgung mit frischem Elektrolyten, wird dadurch zusätzlich begegnet in Kombination mit der IT-Netz Ausführung aller Betriebsmittel. Durch die hydraulische Verschaltung der Zellelemente zu einem Stapel sind zusätzliche und unerwünschte elektrisch leitfähige Verbindungen und Streuströme zwischen allen Zellelementen geschaffen, die zu Korrosionseffekten führen .

In besonders bevorzugter Ausgestaltung des Elektrolysesystems weist dieses mindestens zwei Elektrolyseanlagen auf, die bezüglich der zentralen Versorgungsleitung parallel zueinander geschaltet sind, wobei eine Elektrolyseanlage über eine jeweilige Anschlussleitung an die zentrale Versorgungsleitung angeschlossen ist.

Das isolierte DC-Netz ist somit einfach erweiterbar, wobei an die zentrale DC-Versorgungsleitung weitere Elektrolyseanlagen angeschlossen und versorgt werden können. Es ist dabei auch optional möglich, dass je nach erforderlicher Übertragungsleistung des DC-Hochleistungsstrangs auch zwei oder mehrere zentrale Versorgungsleitungen in dem Elektrolysesystem vorhanden sind, an die eine jeweilige Elektrolyseanlage mit einer jeweiligen Modulreihe angeschlossen ist. Alle Modulreihen sind dann optional mit einer, insbesondere gemeinsamen, Schutzerde geerdet. Eine Elektrolyseanlage weist dabei min- destens eine Modulreihe auf, beispielsweise können in einer Elektrolyseanlage zwei Modulreihen parallelgeschaltet sein. Es ist aber auch möglich, dass eine Elektrolyseanlage nur genau eine Modulreihe aufweist, mit einer Vielzahl elektrisch hintereinander geschalteter Elektrolysemodule.

In dem Elektrolysesystem sind die Elektrolyseanlagen bezüglich der zentralen Versorgungsleitung bevorzugt parallel zueinander geschaltet, wobei eine Elektrolyseanlage über eine jeweilige Anschlussleitung an die zentrale Versorgungsleitung angeschlossen ist.

Hierdurch kommen die Vorteile des DC-Bus Prinzips mit der zentralen und isolierten Gleichstrom-Versorgungsleitung zur Geltung, welches eine jeweilige unabhängige Anschlussleitung für eine Elektrolyseanlage ermöglicht und diese auch vorsieht. In dem Elektrolysesystem ist das zentrale DC- Versorgungsnetz bedarfsweise flexibel ausbaufähig und um weitere Elektrolyseanlagen erweiterbar, eventuell unter Anpassung der Einspeiseleistung der in das isolierte DC-Netz einspeisenden Stromversorgungsquellen hinsichtlich einer bereitzustellenden Abnahmeleistung für den Betrieb der Elektrolyseure .

In bevorzugter Ausgestaltung des Elektrolysesystems weist die Stromversorgungsquelle als Stromerzeuger eine Fotovoltaikanlage auf, deren Gleichspannungsausgang auf die Hochspannung ausgelegt ist, wobei der Gleichspannungsausgang an die zentrale Versorgungsleitung angeschlossen ist.

Damit kann das Gleichspannungsniveau am Gleichspannungsausgang flexibel an die vorgegebene Hochspannung auf der zentralen DC-Versorgungsleitung angepasst werden. Bedarfsweise sind zur Einstellung des vorgegebenen Gleichspannungsniveaus am Gleichspannungsausgang Aufwärtswandler, so genannte Hochsetzsteller dem PV-Generator nachgeschaltet. Dies wird dann geboten sein, wenn der DC-Ausgang der Fotovoltaikanlage selbst kein ausreichend hohes Gleichspannungsniveau zur Einspeisung in die zentrale Versorgungsleitung liefert .

Mit dieser Ausgestaltung ist in dem Elektrolysesystem über das zentrale und i solierte DC-Netz auf der Versorgungsleitung eine vorteilhafte Anbindung bzw . Ans chlus s und Versorgung der Elektrolyseanlage mit aus einer eine Fotovoltaikanlage gewonnenem Strom erreicht . Dabei ist ein Inselnetzbetrieb ba sierend auf Fotovoltaik möglich , wobei Korrosionseffekte durch Streuströme in dem IT-System vermieden bzw . reduziert s ind . In analoger Betrachtung und entsprechend der Vorteile wie bei dem oben beschriebenen Anschlus s der Elektrolyseanlage an eine Windenergieanlage , erfolgt in einem Inselnetz ein von der öffentlichen Netzf requenz unabhängiger Betrieb , was besonders große Aus legungsflexibilität ermöglicht und autarke Einsatzmöglichkeiten abseits des öf fentlichen Stromnetzes . Somit ist die Netzf requenz des öf fentlichen Stromnetzes von 50 Hz bis 60 Hz unbeachtlich für die Auslegung und den Betrieb der elektrischen Komponenten innerhalb des DC-Netzes . Hier ist allenfall s für eine bedarf sweise Spannungserhöhung des PV- Generators ein Hochsetz steiler ( DC/DC-Wandler ) vorzusehen , um die pas sgenaue Einspeisung von Gleichstrom mit der vorgegebenen Hochspannung in die zentrale Versorgungsleitung zu bewirken . Ein Hochsetz steller kann bedarf sweise auch bei einer Windenergieanlage als Stromversorgungsquelle eingesetzt werden nach dem Gleichrichter , um ggf . eine höhere Spannungsebene auf der zentralen Versorgungs leitung einzustellen , als sie der Gleichrichter am Gleichspannungsausgang liefert .

Vorzugsweise weist in dem Elektrolysesystem die Stromversorgungsquelle als Stromerzeuger eine Was serkraftanlage mit einem Generator auf , wobei an den Generator ein Gleichrichter mit einem Gleichspannungsausgang angeschlos sen ist . Auch in dieser Ausgestaltung sind dann alle Betriebs komponenten vom Generator der Was serkraftanlage bis zur Elektrolyseanlage nicht geerdet , d . h . als Komponenten des IT-Net zes erdfrei ausgeführt , werden . Insbesondere ist der Generator der Wasserkraftanlage nicht geerdet . Damit ist es möglich und vorteilhaft, dass bei einer Wasserkraftanlage ein Generator zum Einsatz kommt, der bereits unmittelbar am Generatorausgang eine höhere Frequenz als die Netzfrequenz ausgibt. Somit kann der Generator der Wasserkraftanlage etwa vorteilhaft auf die Frequenz des Wechselspannungseingangs des Gleichrichters ausgelegt werden. Umgekehrt ist auch eine Anpassung und Auswahl des Gleichrichters an die jeweiligen Ausgangsfrequenz des Generators der Wasserkraftanlage flexibel möglich. Aus dieser geringeren Komplexität und Komponentenzahl können sich bei Anbindung an eine Wasserkraftanlage zusätzliche Kostenvorteile ergeben, wobei auch hier ein Inselnetzbetrieb des Elektrolysesystems erreicht ist. Über die Polzahl und die Rotationsgeschwindigkeit ergibt sich die Ausgangsgeschwindigkeit und damit Wechselstromfrequenz des Generators . Insbesondere Generatoren für Wasserkraftanlagen sind daher für einen höherfrequenten Wechselstromausgang verfügbar, so dass in dem Elektrolysesystem ein entsprechender Gleichrichter mit einem auf eine höhere Frequenz ausgelegten Eingang zur Anwendung kommt. Hierdurch ist ein netzunabhängiger Betrieb, d.h. ohne eine notwendige Berücksichtigung der Netzfrequenz des öffentlichen Stromnetzes, sehr vorteilhaft möglich. Eine frequenzangepasste Einkopplung, etwa vermöge teurer und großer Transformatoren, ist bei dem zentralen DC-Netz daher nicht erforderlich bzw. entfällt. Um Leitungswege einzusparen, ist die Elektrolyseanlage in unmittelbarer Nähe des Generators und des Gleichstromausgangs des Gleichrichters der Wasserkraftanlage angeordnet und mit dieser in das IT-Netz über den DC-Hochleistungs sträng integriert, d.h. die Betriebsmittel sind erdfrei aufgestellt und werden isoliert betrieben.

Ein weiterer besonders bevorzugter Aspekt der Erfindung betrifft Verwendung eines isolierten DC-Netzes in dem beschriebenen Elektrolysesystem, bei dem eine Elektrolyseanlage an eine zentrale Versorgungsleitung für Gleichstrom angeschlossen wird, so dass ein auf die Gleichspannung ausgelegter und gegenüber Erde isolierter zentraler DC-Hochleistungsstrang bereitgestellt wird, wobei Elektrolyse-Gleichstrom in die Elektrolyseanlage einge speist wird .

Mithin ist die Verwendung dergestalt , das s ausgehend vom Generator der Stromversorgungsquelle der ge samte DC-Hoch- leistungs sträng bi s zur Elektrolyseanlage mit den Elektrolyseuren inklus ive der Module und der Proze s stechnik in ein und demselben IT-Netz betrieben wird .

Bei der Verwendung wird bevorzugt auf der zentralen Versorgungsleitung an dem Gleichspannungsausgang eine Ausgangs spannung oberhalb 1 , 5 kV, insbesondere oberhalb 10 kV, bereitgestellt .

Besonders bevorzugt wird bei der Verwendung auf der zentralen Versorgungsleitung an dem Gleichspannungsausgang eine Hochspannung von 10 kV bis 110 kV, vorzugswei se 30 kV bis 60 kV, bereitgestellt .

Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Elektrolysesys tems der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der ent sprechenden Verwendung anzusehen und umgekehrt .

Weitere Vorteile , Merkmale und Einzelheiten der Erf indung ergeben sich aus der nachfolgenden Bes chreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung . Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmal s kombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den einzelnen Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmals kombinationen s ind nicht nur in der j eweil s angegebenen Kombination , sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar , ohne den Rahmen der Erfindung zu verlas sen .

Ausführungsbeispiele der Erf indung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert . Hierin zeigen schematisch und stark vereinfacht : FIG 1 ein für einen Inselnetzbetrieb ausgelegtes Elektrolysesystem mit einer Elektrolyseanlage und einer Windenergieanlage;

FIG 2 ein für einen Inselnetzbetrieb ausgelegtes Elektrolysesystem mit mehreren Modulreihen.

Gleiche Bezugszeichen haben in den Figuren die gleiche Bedeutung .

In FIG 1 ist ein Elektrolysesystem 10 gemäß der Erfindung dargestellt. Das Elektrolysesystem 10 umfasst eine Elektrolyseanlage 1 und eine Stromversorgungsquelle 3. Die Stromversorgungsquelle 3 weist als Stromerzeuger eine Windenergieanlage 9 auf, die als Erneuerbare-Energie-Anlage (EE-Anlage) und Quelle für grünen Strom dient. In dem Elektrolysesystem 10 ist die Stromversorgungsquelle 3 über eine zentrale Versorgungsleitung 5 mit der Elektrolyseanlage 1 verbunden. Die Elektrolyseanlage 1 umfasst funktional in vereinfachter Darstellung eine Elektrolyseeinheit 21 mit einer Vielzahl von - in FIG 1 nicht näher gezeigten - in axialer Richtung gestapelter und elektrisch in Serie geschalteter Elektrolysezellen, sowie eine Prozesstechnikeinheit 23. In der Elektrolyseeinheit 21 findet in den Elektrolysezellen die eigentliche Umwandlungsreaktion statt, d.h. die elektrochemische Zerlegung von Wasser als Edukt in Wasserstoff und Sauerstoff als Produkte. Die Prozesstechnikeinheit 23 dient der hydraulischen Verschaltung der Zellelemente eines Stapels zur Versorgung mit frischem Elektrolyten, hier mit dem Edukt-Wasser.

Die hydraulische Verschaltung ist gegenüber der elektrischen Verschaltung in einer Parallelschaltung ausgeführt. Durch die hydraulische Verschaltung der Zellelemente zu einem Stapel werden daher zusätzliche und unerwünschte elektrisch leitfähige Verbindungen zwischen allen Zellelementen geschaffen. Beim Betrieb des Stapels von Zellelementen, d.h. dem Anlegen einer elektrischen Spannung bzw. dem Einprägen eines elektri- sehen Stromes vom ersten zum letzten Zellelement fließt ein elektrischer Arbeitsstrom durch alle Zellelemente hindurch.

Die Versorgung des Elektrolysesystems 10 mit Elektrolyse- Gleichstrom erfolgt unmittelbar über eine zentrale Versorgungsleitung 5, die mit einer hohen Gleichspannung beaufschlagt ist, mithin ist durch die zentrale Versorgungsleitung 5 eine zentrale DC-BUS-Leitung gebildet, mittels derer im Elektrolysesystem 10 der Elektrolyseanlage 1 direkt ein Gleichstrom für den Elektrolyseprozess zuführbar ist.

Auf Seiten der Stromversorgungsquelle 3 ist der Windenergieanlage 9 ausgangsseitig eines Generators, ein Gleichrichter 11 nachgeschaltet, der einen Gleichspannungsausgang 7 aufweist. Somit kann ein durch den Generator der Windenergieanlage 9 erzeugter Wechselstrom in einen Gleichstrom bei einer vorgegebenen Hochspannung am Gleichspannungsausgang 7 in die zentrale Versorgungsleitung 5 eingespeist werden. Hierdurch ist ein auf eine Hochspannung ausgelegtes zentrales DC-Netz realisiert. Zur Einkopplung der durch die Windenergieanlage 9 erzeugten und in den Gleichrichter 11 einspeisten Leistung sind beim Anschluss der Windenergieanlage 19 an die zentralen Versorgungsleitung 5 keine weiteren aktiven Komponenten, wie Transformatoren erforderlich, so dass eine besonders einfache Versorgungstopologie für die Elektrolyse realisiert ist.

Durch die in FIG 1 veranschaulichte Anschlusstopologie ist in dem Elektrolysesystem 10 ein zentraler DC-Hochleistungs sträng bereitgestellt, der als Bestandteil eines gegenüber Erde isolierten Netzes 17 ausgebildet ist, ein so genanntes IT-Netz („isole terre") . Dabei ist der gesamte DC-Hochleistungs sträng erdfrei gestellt. Auch sämtliche Betriebsmittel, d.h. die Stromversorgungsquelle 3, vorliegend der Generator der Windenergieanlage 9, der Gleichrichter 11, die zentrale DC- Versorgungsleitung 5, bis hin zur Elektrolyseanlage 1 umfassend die Elektrolyseeinheit 21 und die Prozesstechnikeinheit 23, sind über einen hohen Isolationswiderstand gegenüber Erde isoliert und Bestandteile des IT-Netzes 17. Im Betrieb des Elektrolysesystems 10 wird dieses gegenüber Erde elektrisch isoliert betrieben. An den nicht zu den Betriebsmitteln gehörenden leitfähigen Gehäuseteilen ist eine Schutzerde 19 angebracht. So kann der Turm der Windenergieanlage 9 als geerdete Struktur ausgeführt sein mit einer Schutzerde 19. Ebenso ist auf Seiten der Elektrolyseanlage 1 eine Schutzerde 19 vorgesehen, die am Gehäuse der Prozesstechnikeinheit 23 angebracht und als Erdungskabel gegen Erde geführt ist.

Es wird folglich an keiner Stelle in dem Elektrolysesystem 10 - bedarfsweise allenfalls noch lokal in der Elektrolyseanlage selbst zur Steuerung der noch existierenden residualen Streuströme - eine elektrisch leitende Erdverbindung geschaffen. Diese Erdverbindung ist bedarfsweise zuschaltbar oder steuerbar ausgeführt. Durch die erdfreie Versorgungstopologie werden Erdschleifen vermieden und der Streustrom gegen Erde in der ganzen Anlage erheblich reduziert.

Zur Überwachung des hohen Isolationswiderstands des Elektrolysesystems 10 gegenüber Erde ist in dem isolierten Netz 17 ein Isolationswächter 25A vorgesehen, der in der Nähe der Windenergieanlage 9 angeordnet ist. Ein weiterer Isolationswächter 25B ist in der Nähe der Elektrolyseanlage 1 platziert. Durch diese Anordnung der Isolationswächter 25A, 25B sind zwei räumlich beabstandete Netzpole realisiert, die als Messpunkte dienen. Der Isolationswächter 25A, 25B erkennen dadurch mögliche Erdschlüsse, Unsymmetrien und zu geringe Isolationswiderstände des isolierten Netzes 17. Der Isolationswächter 25A. 25B misst hierzu die Symmetrie der Spannungen beider Netzpole gegen Erde. Sind die Ableitströme der beiden Netzpole gleich, bleibt die Symmetrie erhalten. Um auch symmetrische Isolationsfehler erkennen zu können, kann über den Isolationswächter 25A, 25B ein Prüfsignal asymmetrisch ins Netz eingespeist werden, im einfachen Fall eine Gleichspannung und die Reaktion des Netzes 17 gemessen werden. Somit ist ein minimaler Isolationswiderstand des isolierten Netzes 17 überwacht, ein Isolationsfehler ist detektierbar und ein Erdschluss lokalisierbar. Symmetrische und hochohmige Erdung kann zugleich über die zwei Netzpole der paarweisen Isolationswächter 25A, 25B realisiert sein.

Durch die Einsparung der galvanischen Entkopplung in dem isolierten Netz 17, speziell für die Versorgung der zentralen Versorgungsleitung 5 mit Gleichstrom, ist eine kompaktere, leichter zu realisierende und sehr günstige Versorgungstopo- logie geschaffen, bei hohem Schutz hinsichtlich Streuströmen und damit einhergehender nachteiliger Korrosionseffekte. Der DC-Hochleistungsstrang in dem isolierten Netz 17 befindet sich in diesem Fall mit allen Leitern der Betriebsmittel auf einem elektrisch Undefinierten Potential gegen Erde. Für die betriebssichere Ausgestaltung als isoliertes Netz 17 ist der Einsatz der Isolationswächter 25A, 25B als Schutzelement vorgesehen. Bei einem einfachen Erdschluss kann das Elektrolysesystem 10 weiter betrieben werden, da keine unmittelbare Gefährdung der Elektrolyseanlage 1 entsteht, was die Verfügbarkeit erhöht. Das IT-Netz 17 ist einfehlsicher.

Das Gleichspannungsniveau am Gleichspannungsausgang 7 des Gleichrichters 11 ist flexibel an die jeweilige Anforderung in dem Elektrolysesystem 10 anpassbar, wobei eine hohe Ausgangsspannung als vorgegebene Hochspannung gewählt wird, die bevorzugt größer als 1,5 kV ist. Hier kann bei der Auslegung und Ausgestaltung des zentralen und isolierten DC-Netzes 17 durch die zentrale Versorgungsleitung 5 beispielsweise auch auf die Nennspannungen der in der Energieübertragung gebräuchlichen Netzebenen zurückgegriffen werden, oder diese Werte können als Anhaltspunkte für das Gleichspannungsniveau dienen. Hierbei wird elektrische Energie auf Hochspannungsleitungen in verschiedenen Netzebenen der Mittelspannung und Hochspannung mit folgenden üblichen Nennspannungen übertragen: Mittelspannung von 3 kV, 6 kV, 10 kV, 15 kV, 20 kV, 30 kV, Hochspannung von 60 kV, 110 kV. Die zentrale Versorgungsleitung 5 wirkt dabei sehr vorteilhaft als zentrale DC-BUS- Leitung, durch die unmittelbar eine hochspannungsbasierte Gleichstromversorgung eines Elektrolysesystems 1 ermöglicht ist . Für eine besonders kompakte, d.h. räumlich begrenzte Bauweise und für entsprechend geringe Leitungsabstände in dem isolierten Netz 17, kann in dem Elektrolysesystem 10 die Elektrolyseanlage 1 am Fuß des Turms der Windenergieanlage 9 angeordnet sein und als Betriebsmittel in dem IT-Netz 17 direkt an die zentrale Versorgungsleitung 5 für Gleichstrom angeschlossen sein.

In einem weiteren stark vereinfachten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Elektrolysesystems 10 ist in FIG 2 eine alternative Verschaltung des DC-Hochleistungsstrangs mit einer zentralen Versorgungsleitung 5 gezeigt. Als Stromversorgungsquelle 3 zur Bereitstellung von Gleichstrom für die Elektrolyse ist wiederum eine Windenergieanlage 9 gezeigt, die einen Generator mit einem Wechselstromausgang aufweist. Der Wechselstrom wird in dem Gleichrichter 11 in Gleichstrom umgewandelt .

Auf Seiten des Elektrolysesystems 10 ist ein in den Grundzügen ähnliches Anlagenkonzept wie in FIG 1 angewendet und entsprechende Anlagenkomponenten sind vorgesehen, wobei sämtliche Betriebsmittel in einem isolierten und mit Gleichstrom betreibbaren Netz 17 umfassend den DC-Hochleistungs sträng errichtet und elektrisch geschaltet sind. Die elektrische Anbindung und Versorgung der Elektrolyseanlagen 1A, 1B erfolgt hier über jeweilige Anschlussleitungen 15A, 15B. Die Anschlussleitungen 15A, 15B bilden als Leitungspaar die zentrale DC-Bus-Leitung bzw. den DC-Hochleistungsstrang der zentralen Versorgungsleitung 5. Um dies zu erreichen, ist eine Elektrolyseanlage 1A an einen Gleichspannungsausgang 7 und entsprechend eine weitere Elektrolyseanlage 1B über die Anschlussleitung 15B parallel zu der Anschlussleitung 15A an einen weiteren Gleichspannungsausgang 7 des Gleichrichters 11 angeschlossen. Die Elektrolyseanlagen 1A, 1B weisen jeweils eine Modulreihe 13 auf, die eine Anzahl von elektrisch in Serie geschaltete Elektrolysemodule umfasst. Jedes der Module in einer Modulreihe 13 weist eine Vielzahl von elektrisch in Serie geschalteter Elektrolysezellen auf.

Eine zuschaltbare Erdverbindung 19 ist lokal als Schutzerde an Gehäuseteilen der Betriebsmittel der Elektrolyseanlage 1A, 1B vorgesehen. Die Betriebsmittel selbst befinden sich auf einem Potenzial gegenüber Erde. Die lokale Erdverbindung der Gehäuseteile ist als leitfähige Verbindung am letzten Modul einer jeweiligen Modulreihe 13 angebracht. Die leitfähige Erdverbindung 19 weist einen vorgegebenen geringen Erdungswiderstand aus, womit eine Steuerung und Ableitung von Streuströmen durchführbar und optimierbar ist. Hierzu kann die leitfähige Erdverbindung 19 einen regelbaren Widerstand aufweisen. Durch diese Zusatzmaßnahme ist über den vorteilhaften Inselnetzbetrieb eine Korrosion durch noch ggf. vorhandene Streuströme vermieden bzw. weiter reduzierbar.

Es ist alternativ auch möglich, dass je nach Spannungswert und Polarität an den beiden Gleichspannungsausgängen 7 des Gleichrichter 11 die leitfähige Erdverbindung 19 bei einem Modul innerhalb der Modulreihe 13 erfolgt. Dies ist flexibel anpassbar an den jeweilige Gleichspannungsniveaus am Gleichspannungsausgang 7 und elektrotechnische Auslegung des Anlagenkonzept des Elektrolysesystems 10. Je nach Topologie kann die Erdung daher auch gerade in der Mitte einer Modulreihe 13 erfolgen. Für den Fall etwa, dass der Gleichrichter 11 eine symmetrische Spannung am Gleichspannungsausgang 7 ausgibt, also beispielsweise Werte von +/- 250 V an dem Gleichspannungsausgang 7, wäre dies entsprechend vorzusehen und vorteilhaft. Diese Erdverbindung 19 kann auch feste Verbindung ausgestaltet sein, d.h. sie muss nicht zwingend zuschaltbar sein, sondern auch als einfach als feste Erdverbindung 19.

Es ist bedarfsweise möglich, dass zur Anpassung der Spannungsebene in eine Anschlussleitung 15A, 15B ein - in den FIG 1 und FIG 2 nicht näher gezeigter - Abwärtswandler geschaltet ist, dessen Eingangsspannung der DC-Hochspannung im zentralen DC-Netz entspricht und dessen Ausgangsspannung auf eine je- weilige Betriebsspannung der Elektrolyseanlage 1A, 1B ausgelegt ist. Somit ist eine angepasste Fahrweise des Elektrolysesystems 10 möglich und eine individuelle Gleichspannungsversorgung einer jeweiligen Elektrolyseanlage 1A, 1B eingerichtet. Der Einsatz von ggf . mehreren in eine Anschlussleitung 15A, 15B parallelgeschalteten und modular ausgeführten Hochstrom-DC/DC-Wandler ist dabei besonders vorteilhaft.

Hierdurch ist eine industrielle Anwendung und Integration in einem Elektrolysesystem 10 ermöglicht. Der Abwärtswandler (englisch: buck-converter, step-down-converter) wandelt eine Eingangsspannung in eine niedrigere Ausgangsspannung. Er wird auch Tief setz steiler genannt.

An einem oder mehreren solcher zentralen DC-Abzweigsträngen in dem isolierten DC-Netz 17 bzw. den Anschlussleitungen 15A, 15B können somit vorteilhafterweise mittels regelbarer DC/DC- Wandler, insbesondere so genannte regelbare Tief setzsteiler oder Abwärtswandler, beliebig viele und beliebig dimensionierte Elektrolyseanlagen 1A, 1B mit individuell anpassbaren Modulreihen 13 angeschlossen werden und in einem als isoliertes DC-Netz 17 ausgeführten Inselnetz betrieben werden.

Die DC/DC-Wandler senken die DC-Spannung ohne nennenswerte Umwandlungsverluste individuell auf die gewünschten Werte ab. Somit sind in dem Elektrolysesystem 10 sowohl die Elektrolyseanlagen 1A, 1B bezüglich der Elektrolyseleistung regelbar als auch bedarfsweise zu- und abschaltbar. Eine Teillastfähigkeit bzw. Teillastansteuerung ist über die Regelung des Elektrolysestroms erzielt. Durch eine Abstimmung der Leistungsregler wird die Inselnetzfähigkeit in dem isolierten DC- Netz sichergestellt und erweitert, was bei abgelegenen On- Shore-Anlagen oder auch Of f-Shore-Anlagen erhebliche Kostenvorteile bringt. Um höhere Elektrolyseströme bereitzustellen, können bedarfsweise mehrere DC/DC-Wandler parallelgeschaltet und in einer Anschlussleitung 15A, 15B eingesetzt werden. Als Abwärtswandler kann beispielsweise ein regelbarer Tiefsetzsteller mit einer Regelung der Ausgangsspannung über das Ver- fahren einer Pulsweitenmodulation im nichtlückenden Betrieb eingesetzt werden. Auf diese Weise ist ein kontinuierlicher Betrieb des Tiefsetzstellers erreicht und eine Regelbarkeit des den Elektrolyseanlagen 1A, 1B jeweils zugeführten Elektrolysestroms .

Es ist in dem Elektrolysesystem 10 auch möglich, dass die Stromversorgungsquelle 3 eine Fotovoltaikanlage aufweist, mit einer Vielzahl nicht näher dargestellter PV-Modulen. Die Fotovoltaikanlage beispielsweise als großflächige und leistungsfähige Freifeldanlage - bevorzugt in sonnenreichen Regionen - ausgestaltet sein, so dass PV-Leistungen von 10 MW elektrischer Leistung und darüber hinaus für die Elektrolyse zur Verfügung stehen. Auch andere Arten der Stromerzeugung aus erneuerbaren Quellen sind möglich.

Durch den zentralen DC-Hochleistungs sträng des isolierten Netzes 17 entfällt gegenüber einer wechselstrombasierten Versorgung weitestgehend der Einsatz von Transformatoren. Der Material- und Bauraumeinsatz aufgrund Gewichts und Größe von benötigten Transformatoren bei einer AC-Netzanbindung können infolge der Auslegung und Festlegung eines zentralen Hochspannungs-Gleichstrom-Versorgungsnetzes erheblich reduziert werden. Dadurch sinkt der Materialeinsatz vor allem bezüglich Eisen und Kupfer, wodurch wiederum weniger Bauraum benötigt wird .

Mit dem Elektrolysesystem 10 der Erfindung ist besonders vorteilhaft und kostengünstig eine elektrische Anbindung bzw. der elektrische Anschluss von vorzugsweise On-Shore- Windenergieanlagen an Elektrolyseanlagen in einem isolierten DC-Netz 17 erreicht, was im Allgemeinen räumlich begrenzt aufgestellt ist. Dadurch sind mögliche Spannungsdifferenzen über die Netzpole a priori geringer. Über die Isolationswächter 25A, 25B sind zudem Vorkehrungen für einen sicherer IT- Netzbetrieb erreicht, insbesondere hinsichtlich Fehler 2. Ordnung, d.h. um auch symmetrische Isolationsfehler beider Netzpole erkennen zu können. Ein möglicher erster Erdschluss ist in dem IT-Netz 17 deswegen unschädlich, weil die lediglich durch Leitungskapazitäten und I solationswiderstände der Betriebsmittel des Elektrolysesystems 10 hervorgerufenen Ströme klein sind. Bei kleiner räumlicher Ausdehnung des Net- zes 17 sind die Ableitströme im Fehlerfall so klein, dass sie auch ungefährlich sind.