WasserstofferzeugungsSystem

Die Erfindung betrifft ein Wasserstofferzeugungssystem.

Die Erzeugung von Wasserstoffgas erfolgt heute in den meisten Fällen entweder mit Hilfe der Dampfreformierung von Erdgas oder in großtechnischen Elektrolyseanlagen mit Hilfe von elektrischem Strom aus dem Stromversorgungsnetz. Um Strom aus verschiedensten Energiequellen, beispielsweise erneuerbaren Energiequellen, zu nutzen, muss der Strom zunächst ins Strom versorgungsnetz eingespeist, transportiert und wieder entnom men werden. Dies sorgt für Verluste durch die Stromumwandlung nach der Erzeugung und Einspeisung, dem Transport in den nachgeschalteten Stromversorgungsnetzelementen und durch Übertragungsverluste durch die zu überbrückenden Distanzen. Auch bei der Entnahme aus dem Stromversorgungsnetz und der erneuten Umwandlung auf eine geeignete Stromstärke und Span nung für die Elektrolyse kommt es zu Leistungsverlusten.

Aktuell generieren Windenergieanlagen an Land oder auf See elektrische Leistung, welche meist mit Hilfe eines Umrichters von einer elektrischen Last direkt genutzt wird, entweder in einem abgeschlossenen System (Inselnetz) oder indirekt über die Einspeisung in ein Stromversorgungsnetz. Es erfolgt bei Bedarf eine teilweise Zwischenspeicherung der Energie in Stromspeichern entweder um die Abgabe der elektrischen Leis tung aus der Windenergie zu vergleichsmäßigen oder Nebensys teme zu versorgen, dies erfolgt direkt an der Windenergiean lage oder gesammelt für einen Verbund von Windenergieanlagen. Gleiches gibt es für die Deckung des Eigenbedarfs der einzel nen Windturbinen, wobei die entsprechenden Komponenten jedoch dann in die Windturbine integriert sein können.

Die Aufgabe besteht darin, die Erzeugung von Wasserstoff ef fizienter zu gestalten. Erfindungsgemäß wird ein Wasserstofferzeugungssystem zur Ver fügung gestellt umfassend:

- mindestens eine Elektrolyseeinrichtung, zur Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse, vorzugsweise aus Wasser,

- mindestens eine Windenergieanlage umfassend einen Generator zur Erzeugung von elektrischer Leistung und deren lokaler Be reitstellung an die mindestens eine, vorzugsweise in die Windenergieanlage integrierte, Elektrolyseeinrichtung,

- mindestens ein der Elektrolyseeinrichtung nachgelagertes Kompressorsystem zur Verdichtung des erzeugten Wasserstoffs.

Dies hat den Vorteil, dass mehrere verlustbehaftete Stromum- wandlungs- und Transportschritte zwischen der Erzeugung von elektrischer Leistung und der Verwendung der elektrischen Leistung zur Erzeugung von Wasserstoff entfallen können.

Gleichzeitig ist es nicht mehr nötig, die von der mindestens einen Windenergieanlage produzierte elektrische Leistung ganz oder teilweise in das Stromversorgungsnetz einzuspeisen.

Vielmehr kann die komplette erzeugte elektrische Leistung un ter Verwendung von Wasserstoffgas als Energieträger abtrans portiert und/oder gespeichert werden oder die erzeugte elekt rische Leistung entweder auf einem konstanten (bzw. regelba ren) Niveau eingespeist werden (was die Stromversorgungsnetze entlastet) und die „Überproduktion" in Form von Wasserstoff gas gespeichert werden.

Die mindestens eine Elektrolyseeinrichtung generiert Wasser stoff und Sauerstoff, wobei ersterer durch das

Kompressorsystem auf einen Druck oberhalb des Umgebungsdrucks gebracht wird. Das Wasserstoffgas kann dann lokal gelagert und/oder abtransportiert werden.

Der Vorteil dieser lokalen Wasserstoffgas-Produktion am Ort der Energieerzeugung ist die volle Integration der Wasser stoffproduktion in die Windenergieanlage (n) . Es ergeben sich massive Einsparungen was das leistungselektronische Equip ment, Transformatoren, Schaltanlagen und Kabel angeht. Statt teuren Wechselstromkabeln können vielfach günstige Gas- Pipelines aus geeignetem Material (Metalle oder Kunststoff rohre mit Metallinliner) verlegt werden.

Der Begriff Generator ist hier weit auszulegen und kann ver schiedene Typen von Generatoren beschreiben, auf die in der Folge noch eingegangen wird. Das Wasserstofferzeugungssystem kann auch mehrere Generatoren des gleichen oder unterschied lichen Typs umfassen und/oder Generatoren können in die

Struktur der Windenergieanlage (n) integriert oder (räumlich) außerhalb der Windenergieanlage (n) angeordnet sein.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen dem Genera tor und je einer Elektrolyseeinrichtung ein

Leistungskonditionierer angeordnet, um den vom Generator be- reitgestellten Wechselstrom in Gleichstrom einer geeigneten Stromstärke und Spannung für die Elektrolyse umzuwandeln. Das Wasserstofferzeugungssystem wandelt die elektrische Leistung, welche der Generator erzeugt mit Hilfe eines oder mehreren parallel betriebenen, geeigneten Leistungskonditionierern in Gleichstrom, welcher direkt einer oder mehreren Elektrolyse einrichtungen zugeführt wird. Unter „direkt" ist hier das Vorhandensein von möglichst wenigen Komponenten zwischen den Leistungskonditionierern und den Elektrolyseeinrichtungen zu verstehen, also insbesondere keine Einspeisung des Stroms in ein Stromversorgungsnetz. Einfache (und gegebenenfalls zum Betrieb notwendige) Komponenten sind jedoch nicht ausge schlossen. Damit werden die Umwandlungsschritte und damit die Verluste auf ein Minimum reduziert.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Wasserstoff erzeugungssystem einen fremderregten Synchrongenerator und/oder einen permanent erregten Synchrongenerator und/oder einen fremderregten Gleichstromgenerator. Das Wasserstoffer zeugungssystem kann dann (gegebenenfalls statt der

Leistungskonditionierer) einen mit dem entsprechenden Genera tor verbundenen regelbaren Feldstromsteller umfassen. In einer Ausführungsform ist der mindestens eine Leistungskonditionierer ein aktiver oder passiver Gleichrich ter. Somit lässt sich die elektrische Leistung geeignet für die Elektrolyseeinrichtung umwandeln.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der

Leistungskonditionierer ein aktiver Gleichrichter umfassend mindestens einen schaltbaren Leistungshalbleiter, insbesonde re einen Thyristor. Vorzugsweise ist der mindestens eine Leistungskonditionierer ein einfacher Gleichrichter umfassend mindestens einen schaltbaren Leistungshalbleiter, wie vor teilhafterweise einen Thyristor.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der

Leistungskonditionierer ein passiver Gleichrichter umfassend eine Kombination aus Dioden und/oder einem regelbaren Gleich stromsteller. Ein oder mehrere prozesstechnisch parallel be triebene Elektrolysesysteme werden dann direkt aus dem Gene rator mit Hilfe je eines solchen (aktiven oder passiven) Leistungskonditionierers betrieben. Es besteht keine Notwen digkeit für die Verwendung von Vollumrichtern (back-to-back) . Alternativ zur Thyristor-Technologie kann der

Leistungskonditionierer also auch eine Kombination von Dioden und einem Gleichstromsteller umfassen (Step Up Step Down) .

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Wasserstofferzeugungssystem mindestens einen lokalen Druck speicher für die lokale Lagerung von produziertem Wasser stoffgas. Der Druckspeicher kann beispielsweise innerhalb der Struktur der Windenergieanlage (zum Beispiel im Turm, den Blättern, der Gondel oder der Gründungsstruktur) angeordnet sein. Es können aber auch alternativ oder zusätzlich einer oder mehrere zentrale Druckspeicher für mehrere Windenergie anlagen des Systems verwendet werden.

Es ist bevorzugt, dass das Wasserstofferzeugungssystem wei terhin einen Pipeline-Anschluss zum Abtransport von produ ziertem Wasserstoffgas umfasst. In dieser Ausführungsform werden keine Transformatoren oder netzseitige Schaltanlagen benötigt, da die produzierte elektrische Energie als chemi sche Energie im Wasserstoffgas gespeichert und über die Pipe line abtransportiert werden kann. Das Wasserstofferzeugungs- system benötigt also keinen Stromnetzanschluss mehr. In der Gesamtbetrachtung ist auch keine kostspielige Kabelanbindung notwendig. Das Wasserstoffgas kann in ein Pipelinesystem zur weiteren Verwendung z. B. Methanisierung eingeleitet werden. Die Pipeline muss keine reine Wasserstoffpipeline sein, son dern es kann auch eine Beimischung in eine geeignete Gaspipe line (z. B. Erdgas) erfolgen. Der gesamte Wirkungsgrad Wind energie bis zum Wasserstoff-Point-of-Sale wird gegenüber ei ner Wasserstoffproduktion mit elektrischer Energie aus dem Stromversorgungsnetz erhöht und das elektrische Übertragungs netz wird nicht weiter belastet. Alternativ oder zusätzlich kann aber auch ein Anschluss an das Stromnetz vorhanden sein, wenn beispielsweise nur ein Teil der produzierten elektri schen Energie zur Wasserstoffproduktion verwendet wird.

Gleichsam kann, falls beispielsweise eine Brennstoffzelle vorhanden ist, das Wasserstofferzeugungssystem eine konstante und/oder regelbare Energieabgabe an das Stromversorgungsnetz (unabhängig von der momentanen Windstärke) gewährleisten und belastet das Stromversorgungsnetz also im Gegensatz zu vielen anderen erneuerbaren Energiesystemen nicht.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Wasserstofferzeugungssystem ein Tankungssystem, über das Was serstoffgas-Transporter und/oder Wasserstoffgas-Verbraucher produziertes Wasserstoffgas tanken können. Ein Wasserstoff- gas-Transporter kann dabei beispielsweise ein Tankschiff oder ein Tanklaster sein. Ein Wasserstoffgas-Verbraucher kann bei spielsweise ein

Brennstoffzellenfahrzeug/Kraftfahrzeug mit Wasserstoff- Verbrennungsmotor sein. Der produzierte Wasserstoff kann bei spielsweise direkt an dem Wasserstofferzeugungssystem bzw. einer Windenergieanlage verkauft werden (zum Beispiel offsho- re : an Schiffe; onshore: an Brennstoffzellenfahrzeuge). Das Wasserstofferzeugungssystem kann also beispielsweise auch ei- ne Anlegestelle mit Tankanschlüssen für Tankschiffe und/oder eine Tankstelle für Kraftfahrzeuge umfassen.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Wasserstoff erzeugungssystem eine Brennstoffzelle zur Erzeugung von elektrischer Energie für eine Energie-Nebenversorgung des Wasserstofferzeugungssystems unter Verwendung von lokal pro duziertem Wasserstoff. Damit kann auf eine externe Stromver sorgung verzichtet werden. Weiterhin ist es auch möglich, die Brennstoffzelle zur Vergleichsmäßigung der an ein Stromver sorgungsnetz abgegebenen Energie des Wasserstofferzeugungs systems und seiner Windenergieanlagen zu verwenden. So kann die Brennstoffzelle beispielsweise hochgefahren werden, wenn gerade Windflaute herrscht und so die Variation der abgegebe nen elektrischen Energie der verbundenen Windenergieanlagen reduziert wird. Das Wasserstofferzeugungssystem dient dann als Ergänzung zu Pumpspeicherkraftwerken zur Stabilisierung der Stromversorgungsnetze.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Wasserstoff erzeugungssystem eine Energie-Nebenversorgung, welche im Be trieb seine Energie aus dem Generator mit Hilfe eines Umrich ters bezieht. Diese Ausführungsform kann alternativ oder zu sätzlich zur vorherigen Ausführungsform vorgesehen sein.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Wasserstoff erzeugungssystem eine an die mindestens eine Elektrolyseein richtung angeschlossene Wasseraufbereitungseinrichtung zur Bereitstellung von Wasser für die mindestens eine Elektroly seeinrichtung. Diese Ausführungsform macht das Wasserstoffer zeugungssystem unabhängiger, da das für die Elektrolyse auf bereitete reine Wasser nicht direkt angeliefert und gelagert werden muss.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist mindestens eine Windenergieanlage eine Offshore-Windenergieanlage . Diese Aus führungsform hat enorme Vorteile für die Installationskosten von Offshore-Windenergieanlagen und -parks. So kann auf kost- spielige Stromleitungen zum Festland verzichtet werden. Wei terhin können die Transportverluste für elektrische Energie zum Festland vermieden werden. Es kann auch ein Zwischen schritt erfolgen, in dem man z. B. in einem Windpark ein In selnetz betreibt, welches über eine oder mehrere zentral auf gestellte Elektrolyseeinrichtungen verfügt und dort die elektrische Leistung umgewandelt wird. Es wird dann kein Netzanschluss zum Leistungsexport benötigt, sondern nur eine Gaspipeline und/oder ein Tankungssystem für Transportschiffe. So könnte das Wasserstofferzeugungssystem auch in bestehende Offshore-Windparks integriert werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die mindestens ei ne, vorzugsweise in die Windenergieanlage integrierte, Elekt rolyseeinrichtung eine Betriebstemperatur geringer als 350 °C auf .

In einer bevorzugten Ausführungsform befinden sich die loka len Druckspeicher innerhalb der Struktur der Windenergieanla ge. Diese Ausführungsform ist platzsparend und erhöht die Si cherheit des Wasserstofferzeugungssystems . Es können pro Windenergieanlage ein oder mehrere integrierte lokale Druck speicher vorgesehen sein oder nur in einen Teil oder in eine der Windenergieanlagen lokale Druckspeicher integriert sein.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusam menhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbei spiele, die im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigt: die Figur eine schematische Darstellung eines erfindungsge mäßen Wasserstofferzeugungssystems .

In der Figur ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wasserstofferzeugungssystems 1 gezeigt. Das Wasserstofferzeu gungssystem 1 umfasst eine oder mehrere Windenergieanlagen 2, umfassend einen Generator zur Erzeugung von elektrischer Leistung und deren lokaler Bereitstellung an die mindestens eine (hier drei) Elektrolyseeinrichtung (en) 3.

Die Elektrolyseeinrichtungen 3 sind zur Erzeugung von Wasser stoff durch Elektrolyse, vorzugsweise aus (z. B. aufbereite tem) Wasser, eingerichtet.

Zwischen dem Generator und je einer Elektrolyseeinrichtung 3 ist ein Leistungskonditionierer 4 angeordnet, um den vom Ge nerator bereitgestellten Wechselstrom in Gleichstrom einer geeigneten Stromstärke und Spannung für die Elektrolyse umzu wandeln. Die Leistungskonditionierer 4 können einfache

Gleichrichter, beispielsweise unter Verwendung von Thyristor- Technologie sein. Das Wasserstofferzeugungssystem 1 kann auch einen mit dem Generator und den Leistungskonditionierern 4 verbundenen Feldstromsteller 5 umfassen.

An die Elektrolyseeinrichtungen 3 ist eine Wasseraufberei tungseinrichtung 6 zur Bereitstellung von Wasser für die Elektrolyseeinrichtungen 3 angeschlossen.

Ein oder mehrere (hier zwei) den Elektrolyseeinrichtungen 3 nachgelagerte Kompressorsysteme 7 sind zur Verdichtung des erzeugten Wasserstoffs vorgesehen. Das Wasserstofferzeugungs system 1 umfasst außerdem einen lokalen Druckspeicher 8 für die lokale Lagerung von produziertem Wasserstoffgas und einen Pipeline-Anschluss 9 zum Abtransport von produziertem Wasser stoffgas. Es kann aber auch nur eine von beiden Komponenten vorhanden sein. Das Wasserstofferzeugungssystem kann auch ei nen Anschluss an ein externes Stromversorgungsnetz umfassen, um einen Teil der produzierten elektrischen Leistung abzuge ben .

Das Wasserstofferzeugungssystem 1 umfasst weiterhin ein

Tankungssystem 10 über das Wasserstoffgas-Transporter

und/oder Wasserstoffgas-Verbraucher produziertes Wasserstoff gas tanken können. Das Tankungssystem 10 kann beispielweise alternativ oder zusätzlich zu einem Pipeline-Anschluss 9 vor gesehen sein, wenn keine Einspeisung in ein Pipeline-Netz ge wünscht ist, oder keine geeignete Pipeline zur Verfügung steht. Der produzierte Wasserstoff kann beispielsweise direkt an dem Wasserstofferzeugungssystem 1 bzw. der Windenergiean lage 2 verkauft werden, zum Beispiel an Schiffe bei einem Offshore-System oder an Brennstoffzellenfahrzeuge bei einem Onshore-System. Das Wasserstofferzeugungssystem 1 kann also beispielsweise auch eine Anlegestelle mit Tankanschlüssen für Tankschiffe oder eine Tankstelle für Kraftfahrzeuge umfassen.

Das Wasserstofferzeugungssystem 1 umfasst weiterhin eine Brennstoffzelle 11 zur Erzeugung von elektrischer Energie für eine Energie-Nebenversorgung 12 des Wasserstofferzeugungssys- tems 1 unter Verwendung von lokal produziertem Wasserstoff.

Es ist auch möglich die Brennstoffzelle 11 zur Vergleichsmä ßigung der an ein Stromversorgungsnetz abgegebenen Energie des Wasserstofferzeugungssystems 1 und seiner Windenergiean lagen 2 zu verwenden. So kann die Brennstoffzelle 11 bei spielsweise hochgefahren werden, wenn gerade Windflaute und kaum elektrische Energie durch die Windenergieanlagen 2 pro duziert wird. So kann die Variation der abgegebenen elektri schen Energie der verbundenen Windenergieanlagen 2 reduziert werden. Das Wasserstofferzeugungssystem 1 dient dann auch als Ergänzung zu Pumpspeicherkraftwerken zur Stabilisierung der Stromversorgungsnetze .

Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungs beispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Bezugszeichenliste

1 WasserstofferzeugungsSystem

2 Windenergieanläge

3 Elektrolyseeinrichtung

4 Leistungskonditionierer

5 Feldstromsteiler

6 Wasseraufbereitungseinrichtung 7 KompressorSystem

8 lokaler Druckspeicher

9 Pipeline-AnSchluss

10 TankungsSystem

11 Brennstoffzelle

12 Energie-Nebenversorgung