Produktionseinheit zur Erzeugung von Wasserstoff

Die Erfindung betrifft eine Produktionseinheit zur Erzeugung von Wasserstoff durch elektrolytische Zersetzung von Wasser, mit einer durch eine Photovoltaik-Einheit mit elektrischer Energie versorgten Elektrolyseeinheit. Sie bezieht sich weiter auf ein System zur Erzeugung von Wasserstoff mit einer Mehrzahl von solchen Produktionseinheiten.

Im Sinne nachhaltiger Energiekonzepte ist die Nutzung von Wasserstoff als Energieträger für eine spätere Nutzung als Brennstoff in mobilen oder stationären Verbrauchern mittlerweile zu einer viel beachteten Option geworden. Insbesondere ist es in derartigen Konzepten erstrebenswert, den Wasserstoff unter Rückgriff auf regenerative oder „grüne“ Energiequellen durch elektrolytische Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff einerseits und Sauerstoff andererseits herzustellen. Dazu wird das Wasser in einer Elektrolyseeinheit, beispielsweise einem Membranelektrolyseur, durch Anlegen einer elektrischen Spannung, beispielsweise über eine Membran hinweg, und die damit einhergehende lonen- wanderung in die genannten Bestandteile zerlegt. Besonders umweltfreundlich und idealerweise CO2-neutral sind derartige Konzepte dann, wenn die zur Elektrolyse erforderliche Spannung, d. h. Versorgung mit elektrischer Energie, durch eine regenerative Energiequelle wie beispielsweise Photovoltaik oder Windenergie erfolgt.

Ein Beispiel für eine solche regenerativ betriebene Elektrolyseeinheit für Wasserstoff ist in der DE 102010 011 407 A1 beschrieben.

Derartigen Systemen ist aber gemein, dass sie gerade wegen des Rückgriffs auf regenerative Energiequellen zum Betreiben der Elektrolyseeinheit den üblichen starken Schwankungen bei der Bereitstellung der benötigten Energie, die im Wesentlichen allen regenerativen Energiequellen wie Wind, Wasser und Sonne innewohnen, unterworfen sind. Ungeachtet möglicher Systembelastungen durch die andauernd wechselnde Beanspruchung, einhergehend mit erhöhtem Verschleiß der Anlagen, hat dies eine unerwünschte Limitierung und Beschränkung der mit solchen Systemen erreichbaren Produktionsrate oder Ausbeute an hergestelltem Wasserstoff zur Folge. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Produktionseinheit zur Erzeugung von Wasserstoff durch elektrolytische Zersetzung von Wasser der oben genannten Art anzugeben, die eine besonders zuverlässige und schwankungsunanfällige Nutzung der regenerativen Energiequelle ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einer einen mit einem Auftriebsgas be- füllbaren Auftriebskörper bildenden Ballonhülle, die mit einer Trägerstruktur für den Wasserspeicher, die Elektrolyseeinheit, die Photovoltaik-Einheit und den Wasserstoffspeicher versehen ist.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass ein Zugriff auf regenerative Energie besonders zuverlässig und schwankungsarm möglich ist, indem der jeweilige Energiewandler geeignet an einem Ort mit zuverlässigem Angebot an der jeweils ausgewählten natürlichen Energiequelle positioniert wird. Im Falle der als Energiequelle ausgewählten Sonneneinstrahlung, also bei Verwendung von Photovoltaik als Energiewandler, bedeutet dies, dass der Energiewandler möglichst in großer Höhe, also insbesondere oberhalb der Wolkendecke, und zudem in Regionen mit hoher Intensität eingestrahlter Sonnenstrahlung, positioniert werden sollte. Um dem Rechnung zu tragen, sieht die Erfindung vor, die Produktionseinheit zur Wasserstofferzeugung einschließlich ihrer wesentlichen Komponenten in der Art eines mobilen Packages zu bündeln und dazu an einer gemeinsamen Trägerstruktur anzuordnen, mittels derer das gesamte Package oder Bündel in seiner Gesamtheit mobil bewegt und an eine gewählte Position verbracht werden kann. Um dabei dem vorgesehenen Höhenerfordernis, also einer Positionierung bevorzugt oberhalb der Wolkendecke, Genüge zu tun, sollte das genannte Package oder Bündel zudem für einen Schwebebetrieb geeignet ausgeführt sein. Dazu ist vorgesehen, die Produktionseinheit mit einem mit Wasserstoff und/oder Helium befüllten Auftriebskörper zu verbinden. Dies ermöglicht, die gesamte Produktionseinheit während des Produktionszyklus oberhalb der Wolkendecke schweben zu lassen. Die Produktionseinheit kann somit auch als „Solarballon“ bezeichnet werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die genannten technischen Komponenten, also die Elektrolyseeinheit, der Wasserspeicher und die Photovoltaik-Einheit, können dabei beispielsweise an einem gemeinsamen Traggerüst angeordnet sein, dass mittels der Ballonhülle und dem in dieser befindlichen Auftriebsgas in die angestrebte Schwebe versetzt werden kann. Das Traggerüst kann da- bei mehr oder weniger innerhalb der Ballonhülle angeordnet sein, so dass eine vergleichsweise kompakte Bauweise erreichbar ist. Als Auftriebsgas ist vorteilhafterweise, insbesondere unter Rückgriff auf Erkenntnisse aus dem Luftschiffbau, Helium oder Wasserstoff vorgesehen. Dabei kann zusätzlich zu den innerhalb der Ballonhülle vorgesehenen Kammern für das Auftriebsgas, insbesondere Helium, auch noch eine Anzahl von Tanks oder Kammern für den erzeugten Wasserstoff innerhalb der Ballonhülle vorgesehen sein, so dass der erzeugte Wasserstoff als zusätzliches Auftriebsgas zur Aufrechterhaltung des Schwebebetriebs genutzt werden kann.

Eine besonders kompakte und damit handhabungsfreundliche Bauweise für das genannte Package oder Bündel ist erreichbar, indem der Wasserspeicher und/oder die Elektrolyseeinheit vorteilhafterweise innerhalb der den Auftriebskörper bildenden Ballonhülle angeordnet sind.

Die Photovoltaik-Einheit umfasst in an sich üblicher Bauweise eine Anzahl von Photovol- taik-Zellen, die bevorzugt außenseitig an der Ballonhülle angeordnet sind.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die genannte Produktionseinheit, bzw. eine Mehrzahl derartiger Einheiten, in einem System zur Erzeugung von Wasserstoff verwendet, wobei die Produktionseinheiten vorteilhafterweise an einem Ort mit einer hohen durchschnittlichen Sonneneinstrahlung positioniert sind. Dabei ist besonders bevorzugt eine Arbeitshöhe oberhalb der Wolkendecke, vorzugsweise von bis zu 8000 m, vorgesehen. Ganz besonders bevorzugt ist zudem die Einrichtung des Produktionsbetriebs der beschriebenen schwebenden Produktionseinheiten jeweils im Bereich der terrestrischen Polarregionen, also insbesondere jenseits der jeweiligen Polarkreise vorgesehen, da in diesen Regionen in der jeweils gewählten Jahreszeit eine kontinuierliche Verfügbarkeit von Sonnenlicht gewährleistet ist. Besonders bevorzugt ist dabei für die Positionierung berücksichtigt, dass die genannte Produktionseinheit in einer Arbeitshöhe von bis 8000m mit einer maximalen Abweichung vom Nordpol von 1 ,8° am 28. März eines Kalenderjahres bis zu einer Abweichung vom Nordpol von 23,5° am 21. Juni bis zu einer Abweichung vom Nordpol von Maximal 1,8° am 14. September am Polartag vollzeitiger Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind. Analog gilt dies bei einer Abweichung vom Südpol von 1,8° am 28. September bis zu einer Abweichung vom Südpol von 23,5° am 21. Dezember bis zu einer Abweichung vom Südpol von 1,8° am 14. März für die Stationierung in der Nähe des Südpols während des (bezogen auf die nördliche Hemisphäre) Winterhalbjahres. Ein solches System umfasst dann vorteilhafterweise noch eine Anzahl weiterer Komponenten, wie beispielsweise Transporteinheiten, vorzugsweise als Luftschiff ausgestaltet, die die Produktionseinheiten logistisch mit einer zentralen Sammelstelle für erzeugten Wasserstoff und/oder einem zentralen Wasserspeicher verbinden.

Im Hinblick auf die angestrebte Stationierung in einer Arbeitshöhe von bis zu 8000m im Bereich der terrestrischen Polarregionen ist die Produktionseinheit, insbesondere im Hinblick auf die Auslegung der Ballonhülle und der weiteren, für die Einstellung des Schwebebetriebs erheblichen Komponenten, vorteilhafterweise geeignet ausgelegt. Dabei ist vorteilhafterweise insbesondere berücksichtigt, dass in der angestrebten Arbeitshöhe mit einer Luftdichte der Umgebungsluft von 0,542 kg/m ³ zu rechnen ist. Bei kugelförmiger Ausführung der Ballonhülle, einer Nennleistung des Elektrolyseurs (entsprechend der auslegungsgemäßen Leistungsabgabe der Photovoltaik-Anlage) von 1 MW, einem Betriebsgewicht der Photovoltaikanlage von 20t, einem Betriebsgewicht des Elektrolyseurs von etwa 36t und unter Berücksichtigung der erforderlichen Medienvorräte und -bestände ist dabei für die Ballonhülle vorzugsweise ein Auslegungsvolumen von etwa 200.000 m ³ vorgesehen. Bei zylinderförmiger Ausführung der Ballonhülle, einer Nennleistung des Elektrolyseurs (entsprechend der auslegungsgemäßen Leistungsabgabe der Photovoltaik-Anlage) von 4 MW, einem Betriebsgewicht der Photovoltaikanlage von 80t, einem Betriebsgewicht des Elektrolyseurs von etwa 144t und unter Berücksichtigung der erforderlichen Medienvorräte und -bestände ist demgegenüber für die Ballonhülle vorzugsweise ein Auslegungsvolumen von etwa 800.000 m ³ vorgesehen.

Das System ist somit zur Herstellung von Wasserstoff auf der Basis von durch die genannten Produktionseinheiten gebildeten schwebenden Fabriken ausgelegt und umfasst erfindungsgemäß als bedeutsame Komponenten eine Anzahl von Solarballons der oben beschriebenen Art, jeweils umfassend einen Auftriebskörper, eine Photovoltaikeinheit, einen Elektrolyseur, Technik- und Tankmodule, ein Dockingsystem, eine Antriebseinheit sowie die zugehörigen Versorgungsstrukturen: eine Wasserversorgungseinheit (WaterSupp- lyUnit), eine Anzahl von Wasserstoff-Tankern zum Abtransport des produzierten Wasserstoffs sowie eine Anzahl von Wasserstoff-Terminals, an die der erzeugte Wasserstoff zum Zweck der Einspeisung ins Wasserstoffnetz geliefert werden kann.

In ganz besonders bevorzugter, als eigenständig erfinderisch angesehener Ausgestaltung ist die Produktionseinheit für einen hoch effizienten Erzeugungsbetrieb, vorzugsweise je nach Stationierung bezüglich der Erdoberfläche für einen „24/7“-Dauerbetrieb über 24 Stunden am Tag an 7 Tagen der Woche ausgelegt. Um dies zu ermöglichen, ist die Produktionseinheit gemäß einem Aspekt der Erfindung gezielt dafür ausgelegt, eine freie Ausrichtung zu ermöglichen, so dass die Photovoltaik-Einheiten jederzeit direkt zur Sonne hin und damit für einen besonders hohen Wirkungsgrad ausgerichtet werden können. Besonders vorteilhaft ist die Produktionseinheit daher zusätzlich dafür ausgelegt, die freie Ausrichtbarkeit, in der Art einer Rotation der gesamten Einheit um ihren Schwerpunkt, noch weiter zu erleichtern. Hierzu ist gemäß einem Aspekt der Erfindung vorgesehen, die Positionierung des Massenschwerpunkts der Produktionseinheit an ihrem Auftriebsschwerpunkt zu ermöglichen. Wenn nämlich diese Schwerpunkte zusammenfallen, ist eine Rotation des Systems um diese Schwerpunkte besonders einfach und mit hoher Systemstabilität durchführbar.

Um dies zu ermöglichen, sind gemäß einem Aspekt der Erfindung Mittel vorgesehen, um den Massenschwerpunkt der Produktionseinheit gezielt und kontrolliert zu verlagern. Für ein solches als eigenständig erfinderisch angesehenes System zur Verlagerung des Massenschwerpunkts kann gemäß einem Aspekt der Erfindung der Wasserspeicher von einer Mehrzahl von geeignet innerhalb des Systems verteilt angeordneten, medienseitig miteinander verbundenen Tanks gebildet sein. Vorzugsweise ist dabei einer der Tanks im Mittelpunkt der Photovoltaikfläche positioniert, wobei die anderen drei im Bereich der Technik- und Tankmodule angeordnet sind. Zum Ausgleich des Schwerpunkts kann dabei Wasser zwischen den Tanks so verteilt oder umgepumpt werden, dass der Schwerpunkt in den Auftriebsmittelpunkt wandert und dort gehalten wird.

Alternativ oder zusätzlich können auch geeignet positionierbare, beispielsweise spindelgeführte Gewichte vorgesehen sein, die zum Ausgleich des Schwerpunkts geeignet im Auftriebskörper verschoben werden können.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die Produktionseinheit auch zur Erzeugung von Ammoniak durch Synthese des erzeugten Wasserstoffs mit beispielsweise aus der Umgebungsluft gewonnenem Stickstoff ausgelegt sein. Dazu umfasst die Produktionseinheit vorteilhafterweise eine Syntheseeinheit zur Erzeugung von Ammoniak (NH3) durch Synthese von Wasserstoff mit, vorzugsweise aus der Umgebungsluft gewonnenem, Stickstoff.

Die Ausgestaltung der Wasserversorgungseinheit („Water Supply Unit“) sowie deren konzeptionelle Anbindung an das beschriebene Produktionssystem werden dabei als eigenständig erfinderisch angesehen. Der Ausgestaltung liegt das Problem zugrunde, dass für die vorgesehene Erzeugung von Wasserstoff möglichst durchgängig ein ausreichend be- messener Wasservorrat als Ausgangsstoff für die vorgesehene Elektrolyse bereitgestellt werden sollte. Im Hinblick auf die vorgesehenen vergleichsweise langen Produktionszyklen von mehreren Monaten, in denen das System vorteilhafterweise autark arbeiten sollte, würde die Bereitstellung eines hierfür insgesamt ausreichenden Wasservorrats jedoch wahrscheinlich eine zu hohe Gewichtslast bedeuten, so dass der vorgesehene Schwebebetrieb nicht ohne Weiteres sichergestellt werden könnte. Um dem Rechnung zu tragen, ist die Wasserversorgungseinheit in als eigenständig erfinderisch angesehener Ausgestaltung für einen Pendelbetrieb ausgeführt, in dem in wiederkehrenden Zyklen jeweils Teilmengen des Wasservorrats an die beschriebene Produktionseinheit geliefert werden.

Dabei wird in erfinderischer Weise der Umstand genutzt, dass der Produktionsbetrieb der beschriebenen schwebenden Produktionseinheiten jeweils im Bereich der terrestrischen Polarregionen, also in Gebieten mit permanenter Eisdecke, vorgesehen ist. Die Wasserversorgungseinheiten sind im Hinblick darauf dafür ausgelegt, durch Schmelzen von Eis Wasser zu gewinnen und dieses anschließend zu den Produktionseinheiten zu befördern. Hierzu ist die jeweilige Wasserversorgungseinheit für eine Art Pendelbetrieb zwischen der terrestrischen Oberfläche (zur Wassergewinnung durch Schmelzen von Eis) und der jeweiligen Produktionseinheit in der für diese vorgesehenen Arbeitshöhe von beispielsweise etwa 8000m über Meeresspiegel ausgelegt.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Solarballons und vorzugsweise deren Verwendung in einem Kombinationssystem aus mehreren Teilstrukturen eine besonders effiziente Produktion und Bereitstellung grünen Wasserstoffs ermöglicht ist. Durch die Solarballons ist die Produktion von Wasserstoff mittels Elektrolyse in schwebenden Fabriken möglich, die einerseits in geeigneter Höhe oberhalb der Wolkendecke positioniert und mit ihren Photovoltaikflächen geeignet der Sonneneinstrahlung zugewandt ausgerichtet werden können, so dass dauerhaft eine intensive Sonneneinstrahlung auf die Photovoltaikflächen und damit eine enorme Produktionseffizienz bei der Erzeugung des Wasserstoffs im Elektrolyseur erreicht werden kann. Andererseits handelt es sich bei den Solarballons bauartbedingt aber auch um mobile Einheiten, die bedarfsgerecht ihren Standort wechseln können. Dabei ist insbesondere hinsichtlich der geografischen Positionierung beispielsweise halbjährlich ein Wechsel zwischen den Polen möglich, wobei im (bezogen auf die nördliche Hemisphäre) Sommerhalbjahr eine Positionierung am Nordpol und im Winterhalbjahr eine Positionierung am Südpol gewählt werden kann. Damit können die Solarballons durchgängig im Bereich des so genannten Polartags (mit seiner Mitternachtssonne) positioniert werden, in dem eine durchgängige Sonnenein- Strahlung herrscht. Damit können die Photovoltaikmodule durchgehend betrieben werden, so dass eine ununterbrochene Produktion gewährleistet ist.

Insbesondere ermöglicht die Erfindung die Bereitstellung eines Systems zur Herstellung von Ammoniak oder Wasserstoff auf der Basis schwebender Fabriken, deren Massenschwerpunkt und Auftriebsschwerpunkt vorzugsweise identisch sind oder in Überlappung gebracht werden können, und die dadurch frei um den Schwerpunkt und damit jederzeit zur Sonne hin ausrichtbar sind. Besonders bevorzugt umfasst dieses System eine Anzahl von Solarballons, jeweils umfassend Auftriebskörper, Photovoltaik, Elektrolyseur, modularen, austauschbaren Technik- und Tankmodulen, Dockingsystem, Antrieb, System zur Positionierung des Massenschwerpunkts, sowie die zugehörigen Versorgungsstrukturen: WaterSupplyllnit (Wasserversorgung), NH ₃ /H2-Tanker (3) (insbesondere zum Abtransport der Produktion mittels austauschbarer NH ₃ /H2-Tanks, vorzugsweise in der Art eines Pfandflaschensystems mit Gewichtsausgleichssystem durch zusätzliche Anlieferung von Wasser) und NH ₃ /H2--Terminals (4) (zur Einspeisung ins NH ₃ /H2-Netz mittels austauschbarer NH ₃ /H2-Tanks in der Art eines Pfandflaschensystems).

Insbesondere ermöglicht die Erfindung die Bereitstellung eines Kombinationssystems aus vier untergeordneten Teilstrukturen zur Produktion und Bereitstellung grünen Ammoni- aks/Wasserstoffs. Ein besonders vorteilhafter Aspekt der Erfindung liegt dabei auf der Ausrichtung des Solarballons „zur Sonne hin“, also insbesondere derart, dass die Flächennormale der Photovoltaik-Module zur Sonne hin zeigt, und der Produktion an den Polen in einem „24/7“-Betriebsmodus. Eine Kernidee des Solarballons ist die Produktion von Ammoniak und/oder Wasserstoff mittels Elektrolyse in schwebenden Fabriken, die sich freischwebend nach der Sonne ausrichten können, und die ihren Standort halbjährlich zwischen den Polen wechseln können (Sommerhalbjahr Nordpol, Winterhalbjahr Südpol), um eine ununterbrochene Produktion zu gewährleisten.

Die WaterSupplyllnit (Wasserversorgungseinheit) dient insbesondere der Versorgung des Solarballons mit Wasser. Sie formt mit dem Solarballon ein autarkes Produktionssystem, das aus dem Polareis Wasser gewinnt, welches zur Produktion von Wasserstoff und Sauerstoff verwendet wird. Transport und Bereitstellung zu den jeweiligen NH ₃ /H2-Netzen übernehmen die NH ₃ /H2-Tanker sowie die NH ₃ /H2-Terminals.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen: Fig. 1 eine schwebende Produktionseinheit zur Erzeugung von Wasserstoff („Solarballon“) im Teilschnitt,

Fig. 2 eine alternative Ausführungsform der schwebenden Produktionseinheit gern. Fig. 1,

Fig. 3 die Produktionseinheit gern. Fig. 1 bzw. Fig. 2 in Draufsicht,

Fig. 4 eine weitere alternative Ausführungsform der schwebenden Produktionseinheit gern. Fig. 1 im Teilschnitt,

Fig. 5 die schwebende Produktionseinheit gern. Fig. 4 in Draufsicht,

Fig. 6 skizzenhaft eine Anzahl verschiedener Ausrichtungen der Produktionseinheit gern. Fig. 1,

Fig. 7 das Technikmodul in der Ausführung mit einer Mehrzahl von Wassertanks in Draufsicht in einer Variante mit drei Wassertanks (Fig. 7a) und einer Variante mit zwölf Wassertanks (Fig. 7b),

Fig. 8 ein Produktionssystem mit einer Mehrzahl von Produktionseinheiten der vorstehend beschriebenen Art,

Fig. 9 eine Wasserversorgungseinheit des Systems nach Fig. 8 im Teilschnitt,

Fig. 10 einen Ausfahrstempel der Wasserversorgungseinheit nach Fig. 9,

Fig. 11 eine Skizze für den Verfahrensablauf beim Betrieb der Wasserversorgungseinheit gern. Fig. 9,

Fig. 12 einen Wasserstoff-Tanker des Systems gern. Fig. 8 in seitlicher Ansicht,

Fig. 13 ein Docking- oder Verbindungssystem für die oben genannten Komponenten im Schnitt, Fig. 14 die Grundplatten der Komponenten des Docking- oder Verbindungssystems nach Fig. 13 in perspektivischer Ansicht,

Fig. 15 ein Kopplungssystem zur Verbindung der oben genannten Komponenten miteinander, und

Fig. 16 einen Außenring des Kopplungssystems nach Fig. 15 in Draufsicht..

Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.

Die Produktionseinheit 1 gemäß Fig. 1 ist für eine zuverlässige und hochwirksame Erzeugung von Wasserstoff durch elektrolytische Zersetzung von Wasser unter Nutzung einer regenerativen Energiequelle, nämlich eingestrahltes Sonnenlicht, ausgeführt. Zusätzlich oder alternativ kann die Produktionseinheit 1 auch zur Erzeugung von Ammoniak (NH ₃ ) aus dem hergestellte grünen Wasserstoff, insbesondere durch dessen Synthese mit aus der Umgebungsluft gewonnenem Stickstoff, ausgelegt sein. Sie umfasst eine in einem Technikmodul 2 positionierte Elektrolyseeinheit 4, die zur elektrolytischen Zersetzung von in einem medienseitig an die Elektrolyseeinheit 4 angeschlossenen, ebenfalls im Technikmodul 2 positionierten Wasserspeicher 6 vorgehaltenem Wasser vorgesehen ist. Zur Versorgung der Elektrolyseeinheit 4 mit Strom ist diese an eine Photovoltaik-Einheit 8 angeschlossen, die den benötigten Strom aus dem eingestrahlten Sonnenlicht erzeugt. Weiterhin umfasst die Produktionseinheit 1 einen ebenfalls im Technikmodul 2 positionierten Wasserstoffspeicher 10 für den erzeugten Wasserstoff sowie gegebenenfalls, abhängig vom vorgesehenen Einsatzzweck, eine Syntheseeinheit 11 zur Ammoniaksynthese.

Um den Zugriff auf das als regenerative Energiequelle vorgesehene Sonnenlicht besonders zuverlässig und schwankungsarm zu ermöglichen, ist die Produktionseinheit 1 für eine Positionierbarkeit in besonders großer Höhe, vorzugsweise oberhalb der Wolkendecke, vorgesehen und ausgelegt. Dazu ist die Produktionseinheit 1 für einen Schwebebetrieb geeignet ausgeführt. Das für die Wasserstoffproduktion vorgesehene Ensemble, umfassend als hierfür wesentliche Komponenten die Elektrolyseeinheit 4, den Wasserspeicher 6, die Photovoltaik-Einheit 8 und den Wasserstoffspeicher 10, ist hierzu an einer eine Tragstruktur bildenden Ballonhülle 12 angeordnet, d. h. an der Ballonhülle 12 sind geeignete Plattformen oder Traggerüste für die Elektrolyseeinheit 4, den Wasserspeicher 6, die Photovoltaik-Einheit 8 und den Wasserstoffspeicher 10 angeordnet. Die Ballonhülle 12 bildet dabei einen mit einem geeigneten Auftriebsgas, beispielsweise Helium, befüllten Auf- triebskörper 14. Durch diese grundsätzliche Bauweise, die in der Art einer Bündelung oder eines Packaging für die wesentlichen Komponenten ausgeführt ist, ist es ermöglicht, die gesamte Produktionseinheit 1 während des Produktionszyklus oberhalb der Wolkendecke schweben zu lassen. Die Produktionseinheit 1 ist somit in der Art eines „Solarballons“ ausgestaltet.

Als Auftriebsgas ist dabei vorzugsweise Helium vorgesehen; der in der Elektrolyseeinheit 4 erzeugte Wasserstoff kann aber ggf. ebenfalls als Auftriebsmittel genutzt werden.

Der durch die Produktionseinheit 1 gebildete Solarballon erfüllt dementsprechend die Funktion der Produktion von grünem Wasserstoff mittels Elektrolyse, gespeist durch Strom aus Photovoltaik, und entspricht im Wesentlichen einem Auftriebskörper, ausgerüstet mit Photovoltaik, Elektrolyseur, Antriebsmotoren und Tanks für Wasser (H ₂ O), Wasserstoff (H ₂ ) und Sauerstoff (O ₂ ). Alternativ kann die Produktionseinheit 1 auch zur Produktion von „grünem Ammoniak“ ausgestaltet sein; dabei wird der in der Elektrolyseeinheit 4 erzeugte grüne Wasserstoff mit aus der Umgebungsluft entnommenem Stickstoff zur Reaktion gebracht und zu Ammoniak synthetisiert.

Der durch die Ballonhülle 12 gebildete Auftriebskörper 14 dient neben seiner eigentlichen Funktion, nämlich der Bereitstellung des benötigten Auftriebs für den Schwebebetrieb, als strukturelle Basis, auf bzw. in der die weiteren Komponenten befestigt sind. Die als Außenhülle dienende Ballonhülle 12 ist dabei an einer Leichtbau-Tragestruktur 16 mit modularen Auftriebsgasbehältern 18 angeordnet. Die Leichtbau-Tragestruktur 16 dient dabei zudem als formgebendes Element, über das die Außenhaut oder Ballonhülle 12 gespannt wird. Im Ausführungsbeispiel gern. Fig. 1 ist dabei für den Auftriebskörper 14 in besonders bevorzugter Ausführungsform eine Kugelform vorgesehen, die durch entsprechend dimensionierte Scheiben- oder Ringkörper 19 der Leichtbau-Tragestruktur 16 vorgegeben wird. Es sind aber auch andere Formgebungen für die Außenhülle der Produktionseinheit 1 denkbar; beispielsweise zeigt Fig. 2 im Teilschnitt eine alternativ ausgestaltete Produktionseinheit 1 ' mit im Wesentlichen zylindrischer Formgebung des Auftriebskörpers. In beiden Varianten sind im Inneren der Außen- oder Ballonhülle 12 die modularen Auftriebsgasbehälter 18 angeordnet, deren Auftriebsgas den Solarballon in der gewünschten Höhe hält.

Die zur Stromproduktion vorgesehene Photovoltaik-Einheit 8 ist im Ausführungsbeispiel aus einer Vielzahl leichter Photovoltaik-Elemente 20, Photovoltaik-Komponenten oder So- larmodulen aus an sich herkömmlicher Produktion zusammengestellt, die auf einer gemeinsamen, im Ausführungsbeispiel spinnennetzförmig ausgestalteten Tragestruktur 22 aufgebracht sind. Die Tragestruktur 22 ist dabei in den Ausführungsbeispielen gern. Fig. 1 , 2 in der Art einer ausgedehnten Scheibe ausgeführt. Die auf der T ragstruktur 22 montierten Einzelelemente 20 sind dabei in der Draufsicht (mit lediglich halb abgedeckter Tragstruktur 22) gern. Fig. 3 gut erkennbar. Alternativ könnte die Tragstruktur 22 aber auch, angepasst an die kugelförmige Ausgestaltung des Auftriebskörpers 14 im Ausführungsbeispiel gern. Fig. 1 , in der Art einer Sequenz gestapelter Ringmodule 23 ausgeführt sein, wie dies im Teilschnitt in Fig. 4 und in Draufsicht in Fig. 5 gezeigt ist. Zur Verdeutlichung sind die Ringmodule 23 in Fig. 5 in unterschiedlichen Grauschattierungen gezeigt. Die Ringmodule 23 folgen dabei mit ihrem Innendurchmesser dem an ihrem Positionierungsort jeweils vorliegenden Außendurchmesser der Ballonhülle 12. Des Weiteren sind sie bevorzugt relativ zueinander derart dimensioniert, dass bei senkrechtem Lichteinfall keine gegenseitige Abschattung eintritt, so dass der Wirkungsgrad des Systems insgesamt besonders hoch gehalten werden kann und durch die freie Drehbarkeit des Gesamtsystems um den Schwerpunkt des Solarballons diese immer so ausgerichtet werden können, dass ein perfekter, senkrechter Einstrahlungswinkel des Sonnenlichts auf die Solarmodule erreicht wird.

Bevorzugt gegenüber dieser Bauweise ist aber die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform mit scheibenförmiger Tragstruktur 22, da diese auch aufgrund der freien Drehbarkeit des Gesamtsystems um den Schwerpunkt des Solarballons herum im Betrieb immer so ausgerichtet werden kann, dass ein perfekter, senkrechter Einstrahlungswinkel des Sonnenlichts auf die Solarmodule erreicht wird. Dies ist skizzenhaft in den Varianten a), b), c) gern. Fig. 6 dargestellt, wobei die Linie 24 jeweils die einfallende Sonnenstrahlung symbolisiert.

Das oder die Technikmodul(e) 2 dient zur Unterbringung der technisch notwendigen Komponenten, und dementsprechend können je nach individueller Systemauslegung unterschiedlich viele Technikmodule 2 mit ggf. unterschiedlicher Ausstattung vorgesehen sein. Die Technikmodule 2 sind, wie dies dem Ausführungsbeispiel gern. Fig. 1 entnehmbar ist, unabhängig von ihrer Ausstattung und unter Berücksichtigung der Eigenschaften der Pho- tovoltaik-Einheit 8 derart an der Tragstruktur 16 angebracht, dass der Schwerpunkt des Solarballons 1 in dessen Zentrum oder Mitte liegt, so dass dieser frei um sein Zentrum drehbar ist. Sie dienen somit als Gegengewicht zur Photovoltaik-Einheit 8. Im Sinne eines hohen Wirkungsgrades des Systems ist die Möglichkeit der zuverlässigen Ausrichtung „zur Sonne hin“ in sämtlichen Betriebsphasen nämlich besonders bedeutsam. Um dies zu erleichtern oder sogar ganz zu ermöglichen, ist die Produktionseinheit 1, 1 ' gemäß einem Aspekt der Erfindung gezielt dafür ausgelegt, dass der Massenschwerpunkts in ihrem Auftriebsschwerpunkt positioniert werden kann. Wenn nämlich diese Schwerpunkte zusammenfallen, ist eine Rotation des Systems um diese Schwerpunkte besonders einfach und mit hoher Systemstabilität durchführbar. Um dies zu ermöglichen, sind im gezeigten Ausführungsbeispiel in einer als eigenständig erfinderisch angesehenen Ausgestaltung als Mittel zur gezielten Verlagerung des Massenschwerpunkts der Produktionseinheit 1 , 1 ' eine Mehrzahl von Wassertanks 30 vorgesehen, die in ihrer Gesamtheit den Wasserspeicher 6 bilden. Die Wassertanks 30 sind geeignet innerhalb des Systems verteilt angeordnet und medienseitig miteinander verbunden, so dass Wasser beliebig zwischen den einzelnen Tanks 30 umgepumpt und der Schwerpunkt so mit entsprechend verändert werden kann. Gemäß einer als erfinderisch angesehenen Weiterbildung ist dabei einer der Tanks 30 im Mittelpunkt der Photovoltaik-Einheit 8 positioniert, wobei die weitere Tanks 30 im Bereich des Technikmoduls 2 angeordnet sind. Zum Ausgleich des Schwerpunkts kann dabei Wasser zwischen den Tanks so verteilt oder umgepumpt werden, dass der Schwerpunkt in den Auftriebsmittelpunkt wandert und dort gehalten wird.

In Draufsicht gesehen können die Tanks 30 dabei innerhalb des Technikmoduls 2 alternierend im Wechsel mit jeweils anderen Modulen, beispielsweise der Elektrolyseeinheit 4, einer Steuereinheit 32 oder dergleichen, angeordnet sein. Dies ist beispielhaft der Darstellung des Technikmoduls 2 in Draufsicht gern. Fig. 7 entnehmbar, wobei in der Variante nach Fig. 7a drei Tanks 30 und in der Variante nach Fig. 7b zwölf Tanks 30 dargestellt sind. Selbstverständlich sind auch beliebige andere Anzahlen von Tanks 30 denkbar, wobei die Auswahl von Anzahl und Positionierung der Tanks 30 vorteilhafterweise anhand der sonstigen Randbedingungen wie Kontrollierbarkeit der Einstellung des Schwerpunkts, Vorgabe äußerer Randbedingungen und dergleichen geeignet gewählt sind.

Alternativ oder zusätzlich können auch geeignet positionierbare, beispielsweise spindelgeführte Gewichte vorgesehen sein, die zum Ausgleich des Schwerpunkts geeignet im Auftriebskörper 12 verschoben werden können.

Die Elektrolyseeinheit 4 ist in einem der Technikmodule 2 untergebracht. Sie wird mit Wasser aus den Wasserspeicher 6 bildenden, ebenfalls in Technikmodulen 2 untergebrachten Wassertanks versorgt und produziert, im Hinblick auf die Versorgung mit Strom durch die Photovoltaik-Einheit 8, „grünen“ Wasserstoff. Die Wassertanks wiederum wer- den ihrerseits mittels einer zugeordneten Wasserversorgung befüllt, welche entweder durch im Technikbereich untergebrachten Wassergewinnungsmaschinen (beispielsweise Kondensatoren) oder bevorzugt durch die nachfolgend beschriebene Wasserversorgungseinheit dargestellt wird.

Zum Manövrieren und Positionieren des Auftriebskörpers 14 ist an diesem eine Anzahl von Motoren, im Ausführungsbeispiel Elektromotoren 26 mit Luftschrauben 28, angeordnet. Diese werden betrieben durch Brennstoffzellen, Batterieeinheiten oder Strom aus der Photovoltaik. Alternativ könnte stattdessen auch eine geeignet gewählte Anzahl von mit Wasserstoff betriebenen Verbrennungsmotoren vorgesehen sein. Schließlich ist der Solarballon auch mit einem geeignet ausgelegten Steuerungssystem zur eigenständigen, autonomen Bewegung ausgerüstet.

Die Produkte aus der Wasser-Elektrolyse in der Produktionseinheit 1, 1 ', Wasserstoff (H ₂ ) und Sauerstoff (O ₂ ), können über ein System zur Hochdruck- und/oder Flüssig-Lagerung in die entsprechenden Tanks verbracht werden. Dabei kann für eine platzsparende Unterbringung beispielsweise eine Komprimierung (z.B. 700 bar) oder eine Verflüssigung vorgesehen sein.

Zur weiteren Erläuterung der Betriebsweise ist in Fig. 8 ein System 40 zur Erzeugung von Wasserstoff oder Ammoniak mit einer Mehrzahl von Produktionseinheiten 1 oder 1 ' der vorstehend beschriebenen Art gezeigt. Das System 40 ist für eine global organisierte Betriebsweise ausgelegt und wird daher in Bezug auf die globale Stationierung seiner Komponenten relativ zur Erde 42 gezeigt. Das System 40 umfasst zusätzlich zu einer Mehrzahl von Produktionseinheiten 1, 1 ' der vorstehend beschriebenen Art, von denen in Fig.

8 der Übersichtlichkeit halber nur jeweils eine im Norden und eine im Süden gezeigt ist, eine Anzahl von zur Versorgung der jeweiligen Solarballons mit Wasser vorgesehenen Wasserversorgungseinheiten 44, eine Anzahl von Wasserstoff- bzw. Ammoniak-Tankern 46 und eine Anzahl von Wasserstoff- bzw Ammoniak-Terminals 48.

Die Tanker 46 und die Terminals 48 dienen dabei zum Transport und der Weitergabe des in den Produktionseinheiten 1, 1 ' hergestellten Wasserstoffs bzw. Ammoniaks an die jeweiligen H ₂ - bzw NHs-Netze. Demgegenüber dienen die Wasserversorgungseinheiten 44 zur Nachlieferung von Wasser an die Produktionseinheiten 1, 1 ', so dass ausreichend Grundstoff für die Wasserstoff- bzw Ammoniakherstellung verfügbar gehalten wird. Wie in Fig. 8 schematisch dargestellt, erfolgt im (bezogen auf die nördliche Hemisphäre) Sommerhalbjahr eine Stationierung der Produktionseinheiten 1 , 1 ' über dem terrestrischen Nordpol 50, insbesondere oberhalb des nördlichen Polarkreises, so dass eine kontinuierliche Verfügbarkeit von Sonnenlicht gewährleistet ist. Damit können die Produktionseinheiten 1 , 1 ' in diesem Zeitraum kontinuierlich mit regenerativer Energie versorgt werden und Wasserstoff oder Ammoniak herstellen. Dabei werden sie in der Art eines Pendelbetriebs regelmäßig über die Wasserversorgungseinheiten 44 mit Wasser versorgt, das diese beispielsweise durch Aufschmelzen von Eis in der Polarregion gewinnen. Der hergestellte Wasserstoff bzw das Ammoniak wird sodann regelmäßig, ebenfalls in der Art eines Pendelbetriebs, mittels der Tanker 46 von den Produktionseinheiten 1, 1 ' zu den Terminals 48 verbracht, von wo aus er in die jeweiligen-Netze eingespeist werden kann. Damit kann beispielsweise im Zeitraum von April bis August eines jeden Kalenderjahres kontinuierlich die Produktion im Bereich des Nordpols 50 durchgeführt werden.

In einer anschließenden Phase, einhergehend mit dem zu Ende gehenden Sommer in der nördlichen Hemisphäre, können beispielsweise im September des jeweiligen Kalenderjahres die Produktionseinheiten 1, 1 ', ggf. mitsamt der weiteren Komponenten, von ihrem Einsatzort im Bereich des terrestrischen Nordpols 50 zu einem alternativen Standort im Bereich des terrestrischen Südpols 52 verbracht werden, wo sie die Produktion während des (bezogen auf die nördliche Hemisphäre) Winterhalbjahres durchführen. Damit kann beispielsweise im Zeitraum von Oktober bis März eines jeden Kalenderjahres kontinuierlich die Produktion im Bereich des Südpols 52 durchgeführt werden, da in diesem Zeitraum hier eine durchgängige Sonneneinstrahlung verfügbar ist. Mit dem zu Ende gehenden Sommer in der südlichen Hemisphäre, beispielsweise im März, kann dann die Rückverlegung der Produktionseinheiten 1 , 1 ' an ihren nördlichen Einsatzort im Bereich des Nordpols 50 erfolgen, und der jährliche Produktionszyklus kann erneut beginnen. Die „Stichtage“ für die jeweiligen Positionswechsel von der nördlichen in die südliche Polarregion und umgekehrt werden dabei bevorzugt und gemäß einem Aspekt der Erfindung nach dem Kriterium ausgewählt, dass möglichst vollständig über den gesamten Tag hinweg Sonneneinstrahlung verfügbar sein sollte, so dass ein 7-Tage/Woche-24-Stun- den/Tag- Betrieb ermöglicht ist. Dies ist unter Berücksichtigung der terrestrischen Gegebenheiten erreichbar, indem die Produktionseinheiten 1 , 1 ' in einer Arbeitshöhe oberhalb der Wolkendecke, insbesondere von bis 8000m, während des Zeitraums vom 28. März bis zum 14. September jedes Kalenderjahres im Bereich des Nordpols stationiert werden, und zwar mit einer maximalen Abweichung vom Nordpol von 1,8° am 28. März eines Kalenderjahres bis zu einer maximalen Abweichung vom Nordpol von 23,5° am 21. Juni bis zu einer Abweichung vom Nordpol von maximal 1 ,8° am 14. September, so dass sie am Polartag vollzeitiger Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind. Analog gilt dies bei einer Abweichung vom Südpol von 1 ,8° am 28. September bis zu einer Abweichung vom Südpol von 23,5° am 21. Dezember bis zu einer Abweichung vom Südpol von 1 ,8° am 14. März für die Stationierung in der Nähe des Südpols während des (bezogen auf die nördliche Hemisphäre) Winterhalbjahres.

Zusammengefasst produzieren die Solarballons 1 , 1 ' somit etwa von April bis August, bevorzugt vom 28. März bis zum 14. September, über dem Nordpol durchgängig Wasserstoff, wobei die Wasserversorgungseinheiten 44 die Solarballons 1 , 1 ' kontinuierlich mit Wasser versorgen. Die Tanker 46 fliegen den Wasserstoff kontinuierlich von den Solarballons 1 , 1 ' zu den Terminals 48. In einer Variation ohne Tanker 46 fliegen die Solarballons 1 , 1 ' selbst halbjährlich den Wasserstoff oder das Ammoniak zu den Terminals. Im September fliegen die Solarballons mit den Wasserversorgungseinheiten 44 vom Nordpol 50 zum Südpol 52. Am Südpol 52 produzieren die Solarballons 1 , 1 ' etwa von Oktober bis Februar, bevorzugt vom 28. September bis zum 14. März, durchgängig Wasserstoff oder Ammoniak. Im März fliegen die Solarballons 1 , 1 ' mit den Wasserversorgungseinheiten 44 vom Südpol 52 zurück zum Nordpol 50.

Die Produktionseinheit 1 , 1 ' ist dabei zum Betrieb in einer Arbeitshöhe oberhalb der Wolkendecke ausgelegt, so dass ein möglichst kontinuierlicher Produktionsbetrieb aufrechterhalten werden kann. Dazu ist im Ausführungsbeispiel die Stationierung der Produktionseinheit 1 , 1 ' in einer Arbeitshöhe von bis zu etwa 8000m vorgesehen. Dementsprechend sind die Komponenten, insbesondere die Ballonhülle 12 und deren Tragkraft, geeignet dimensioniert und ausgelegt. Dabei ist unter anderem berücksichtigt, dass in der angestrebten Arbeitshöhe mit einer Luftdichte der Umgebungsluft von 0,542 kg/m ³ zu rechnen ist. Bei kugelförmiger Ausführung der Ballonhülle, einer Nennleistung des Elektrolyseurs (entsprechend der auslegungsgemäßen Leistungsabgabe der Photovoltaik-Anlage) von 1 MW, einem Betriebsgewicht der Photovoltaikanlage von 20t, einem Betriebsgewicht des Elektrolyseurs von etwa 36t und unter Berücksichtigung der erforderlichen Medienvorräte und -bestände ist dabei für die Ballonhülle vorzugsweise ein Auslegungsvolumen von etwa 200.000m ³ in einer Flughöhe von etwa 8 km vorgesehen. Genauer sind vorteilhafterweise für beispielhafte Szenarien einer Nennleistung der Elektrolyseeinheit von 1 MW bzw. 4 MW bevorzugt in etwa folgende Auslegungsparameter beispielhaft vorgesehen:

1. Variante: Auslegung 1 MW Leistung (MW) 1

Form Ballonhülle 12 Kugel

Flughöhe (km) 8

Luftdichte bei Flughöhe 8km (kg/m ³ ) 0,542

Auftriebsgas Helium/Wasserstoff

Photovoltaikeinheit 8:

Leistung (MW) 1

Gewicht bei Leistung 1MW (t) 20

Fläche bei Leistung 1MW (m ² ) 7000

Elektrolyseur 4:

Leistungsinput (MW) 1

Output H ₂ (kg/d) 450

Druck H ₂ (bar) 30

Gewicht Elektrolyseur (t) 36

Größe ca. 13,2 x 4,0 x 5,7 m

Wasserstoffspeicher 10:

Variante Drucktank 700bar:

Spezifisches Gewicht H ₂ bei 700bar (kg/m ³ ) 40

Tagesvolumen bei Drucktankspeicherung (m ³ ) 11 ,25

Stundenvolumen bei Drucktankspeicherung (m ³ ) 0,47

Variante Flüssigspeicherung:

Spezifisches Gewicht H ₂ bei Verflüssigung (kg/m ³ ) 71

Tagesvolumen bei Verflüssigung (m ³ ) 6,34

Stundenvolumen bei Verflüssigung (m ³ ) 0,26

In der für eine Ammoniakspeicherung vorgesehenen Variante können Maße und Gewichte in ähnlicher Größenordnung wie für Wasserstoff vorgesehen sein, da das Medium Ammoniak vergleichsweise schwerer ist, die Tanks aber in ähnlicher Relation leichter ausgeführt werden können.

Kenn- und Auslegungsdaten Solarballon 1 Nutzunqskonzept: Terminals in Australien (September-März) und Deutschland

(März-September) Fluggeschwindigkeit Solarballon 1 (km/h) 60,00

Flugstrecke Nord-Südpol (km) 20015,00

Flugdauer (h) 333,58

Aktive Produktionszeit pro Halbjahr (h) 4046,42

(ermittelt aus 365*24h/2 - Flugdauer) Halbjahresertrag H ₂ pro Solarballon (t) 75,87

Jahresertrag H ₂ pro Solarballon (t): 151 ,74

(ermittelt aus Produktionszeit * Produktionskapazität) Fluggeschwindigkeit H ₂ -Tanker 46 (km/h) 100,00

Flugstrecke Nordpol-Hamburg (km) 4052,00

Flugdauer (h) 40,52

Flugstrecke Südpol-Melbourne (km) 5800,00

Flugdauer (h) 58,00

Bei einer Deckung von einem H ₂ -Tanker pro Solarballon (1) ergibt sich das Tankvolumen durch die längste Flugdauer * 2 + Abnahmezeit am Terminal + Beladezeit am Solarballon (1) ^Produktionszeit) multipliziert mit dem Stundenvolumen der H ₂ -Produktion

Geschätzte Abnahmezeit am Terminal (h) 12,00

Geschätzte Beladezeit am Solarballon (h) 12,00

Produktionszeit (h): längste Flugdauer H ₂ -Tanker*2 + Abnahmezeit + Beladezeit 140,00

Tankvolumen bei Produktionszeit bei 700bar (m ³ ) 65,63

Tankvolumen bei Produktionszeit Verflüssigung (m ³ ) 36,97

Gewicht H ₂ -Tankinhalt, sowohl Solarballon als auch H ₂ -Tanker (t) 2,63

Gewicht Elektrolyseur (t) 36,00

Gewicht Photovoltaik (t) 20,00

Auftriebskörper Schätzung (t) 50,00

Gewicht Solarballon voller T ank (t) 108,63

Volumen Auftriebskörper bei 8km Flughöhe voller Tank (m ³ ) 200.415,13

Durchmesser bei Kugel bei 8km Flughöhe bei vollem Tank (m) 72,61

Kenn- und Auslegungsdaten Wasserstoff-Tanker 46

Fluggeschwindigkeit H2-Tanker (km/h) 100,00

Flugstrecke Nordpol-Hamburg (km) 4052,00

Flugdauer (h) 40,52

Flugstrecke Südpol-Melbourne (km) 5800,00

Flugdauer (h) 58,00

Flugdauer für eine Beladung/Entladung (h): längste Flugdauer*2 + Abnahmezeit+Beladezeit 140,00

Tankrechnungen siehe oben

Tankvolumen bei Produktionszeit bei 700bar (m ³ ) 65,63

Tankvolumen bei Produktionszeit Verflüssigung (m ³ ) 36,97

Gewicht H ₂ -Tankinhalt, sowohl Solarballon als auch Wasserstoff-

Tanker (t) 2,63

Gewicht Auftriebskörper Schätzung (t) 5,00

Gewicht voller H ₂ -Tanker (t) 7,63

Volumen Auftriebskörper bei 8km Flughöhe bei vollem Tank (m ³ ) 14.068,27

Kenn- und Auslegungsdaten Wasserversorgungseinheit 44

Muss 8km von Boden bis zum Solarballon (1) aufsteigen, Wasser gewinnen und liefern. Bei einem Produktionsziel von 450kg H ₂ /tag werden 4050kg/tag Wasser benötigt

Annahme: Aufstieg+Lieferung+Abstieg Dauer (h) 24,00

Tankvolumen bei 4050kg Wasser (m ³ ) 4,04

Leergewicht Schätzung Auftriebskörper + Technik (t) 7,50

Gewicht volle Wasserversorgungseinheit (t) 11 ,54

Volumen Auftriebskörper bei 8km Flughöhe bei vollem Tank (m ³ ) 21.287,55 e: Auslegung 4MW

Leistung (MW) 4

Form Ballonhülle 12 Zylinder Flughöhe (km) 8

Luftdichte bei Flughöhe 8km (kg/m ³ ) 0,542

Auftriebsgas Helium/Wasserstoff

Photovoltaikeinheit 8:

Leistung (MW) 4

Gewicht bei Leistung 1MW (t) 80

Fläche bei Leistung 1MW (m ² ) 28000

Elektrolyseur 4:

Leistungsinput (MW) 4

Output H ₂ (kg/d) 1.800

Druck H ₂ (bar) 30

Gewicht Elektrolyseur (t) 144

Größe 4x ca. 13,2 x 4,0 x 5,7 m

Wasserstoffspeicher 10:

Variante Drucktank 700bar:

Spezifisches Gewicht H ₂ bei 700bar (kg/m ³ ) 40

Tagesvolumen bei Drucktankspeicherung (m ³ ) 45

Stundenvolumen bei Drucktankspeicherung (m ³ ) 1,88

Variante Flüssigspeicherung:

Spezifisches Gewicht H ₂ bei Verflüssigung (kg/m ³ ) 71

Tagesvolumen bei Verflüssigung (m ³ ) 25,35

Stundenvolumen bei Verflüssigung (m ³ ) 1 ,06

In der für eine Ammoniakspeicherung vorgesehenen Variante können Maße und Gewichte in ähnlicher Größenordnung wie für Wasserstoff vorgesehen sein, da das Medium Ammoniak vergleichsweise schwerer ist, die Tanks aber in ähnlicher Relation leichter ausgeführt werden können.

Kenn- und Auslegungsdaten Solarballon 1

Nutzungskonzept: Terminals in Australien (September-März) und Deutschland

(März-September) Fluggeschwindigkeit Solarballon (1) (km/h) 60,00

Flugstrecke Nord-Südpol (km) 20015,00

Flugdauer (h) 333,58

Aktive Produktionszeit pro Halbjahr (h) 4046,42

(ermittelt aus 365*24h/2 - Flugdauer) Halbjahresertrag H2 pro Solarballon (t) 303

Jahresertrag H ₂ pro Solarballon (t): 607

(ermittelt aus Produktionszeit * Produktionskapazität)

Fluggeschwindigkeit H ₂ -Tanker (km/h) 100,00

Flugstrecke Nordpol-Hamburg (km) 4052,00

Flugdauer (h) 40,52

Flugstrecke Südpol-Melbourne (km) 5800,00

Flugdauer (h) 58,00

Bei einer Deckung von einem H ₂ -Tanker pro Solarballon (1) ergibt sich das Tankvolumen durch die längste Flugdauer * 2 + Abnahmezeit am Terminal + Beladezeit am Solarballon (1) ^Produktionszeit) multipliziert mit dem Stundenvolumen der H2-Produktion

Geschätzte Abnahmezeit am Terminal (h) 12,00

Geschätzte Beladezeit am Solarballon (h) 12,00

Produktionszeit (h): längste Flugdauer H ₂ -Tanker*2 + Abnahmezeit + Beladezeit 140,00

Tankvolumen bei Produktionszeit bei 700bar (m ³ ) 262,5

Tankvolumen bei Produktionszeit Verflüssigung (m ³ ) 148

Gewicht H ₂ -Tankinhalt, sowohl Solarballon als auch H ₂ -Tanker (t) 10,5

Gewicht Elektrolyseur (t) 144,00

Gewicht Photovoltaik (t) 80,00

Auftriebskörper Schätzung (t) 200,00

Gewicht Solarballon (t) 434,50

Volumen Auftriebskörper bei 8km Flughöhe (m ³ ) 801 .660,52

Durchmesser bei Kugel bei 8km Flughöhe (m) 115,26

Kenn- und Wasserstoff-Tanker 46

Fluggeschwindigkeit H ₂ -Tanker (km/h) 100,00 Flugstrecke Nordpol-Hamburg (km) 4052,00

Flugdauer (h) 40,52

Flugstrecke Südpol-Melbourne (km) 5800,00

Flugdauer (h) 58,00

Flugdauer für eine Beladung/Entladung (h): längste Flugdauer*2 + Abnahmezeit+Beladezeit 140,00

Tankrechnungen siehe oben

Tankvolumen bei Produktionszeit bei 700bar (m ³ ) 262,50

Tankvolumen bei Produktionszeit Verflüssigung (m ³ ) 147,89

Gewicht H ₂ -Tankinhalt, sowohl Solarballon als auch Wasserstoff-

Tanker (t) 10,5

Gewicht Auftriebskörper und Tanks Schätzung (t) 113,00

Gewicht H ₂ -Tanker (t) 123,50

Volumen Auftriebskörper bei 8km Flughöhe (m ³ ) 227.859,78

Kenn- und Auslegungsdaten Wasserversorgungseinheit 44

Muss 8km von Boden bis zum Solarballon (1) aufsteigen, Wasser gewinnen und liefern. Bei einem Produktionsziel von 450kg H ₂ /tag werden 4050kg/tag Wasser benötigt

Annahme: Aufstieg+Lieferung+Abstieg Dauer (h) 24,00

Tankvolumen bei 4050kg Wasser (m ³ ) 16,15

Leergewicht Schätzung Auftriebskörper + Technik (t) 15

Gewicht volle Wasserversorgungseinheit (t) 31 ,20

Volumen Auftriebskörper bei 8km Flughöhe bei vollem Tank (m ³ ) 57.564,58

Selbstverständlich ist auch eine Vielzahl anderer Parameterkombination für die Auslegung des Systems 40 denkbar, wobei die oben angegebenen Werte als Orientierungswerte dienen können. In der bevorzugt vorgesehenen Bandbreite für die Auslegung der Leistung von 1 MW bis 4 MW können sich ein Gewicht von beispielsweise 106 bis 424 Tonnen und ein Auftriebsvolumen des Auftriebskörpers 14 von beispielsweise 200.000m ³ bis 800.000m ³ als geeignet erweisen. Als Auftriebsgas ist vorzugsweise Wasserstoff oder Helium vorgesehen, die bevorzugte Flughöhe beträgt bis etwa 8000m, und die Form des Auftriebskörpers kann kugel- bis zylinderartig sein. Ein Ausführungsbeispiel der Wasserversorgungseinheit 44 ist in Fig. 9 im Teilschnitt gezeigt. Die Wasserversorgungseinheit 44 („Water supply unit“) weist einen ebenfalls als Auftriebskörper ausgestalteten Grundkörper 56 auf, der mit Helium und/oder Wasserstoff als Auftriebsgas befüllt und zur Energieversorgung mit einer Photovoltaikfläche 58 versehen ist. Weiterhin umfasst sie im gezeigten Ausführungsbeispiel zur Wassergewinnung einen beheizbaren Ausfahrstempel 60, der in Fig.10 vergrößert gezeigt ist. Am Ausfahrstempel 60 sind Edelstahlheizröhren 62 angeordnet. Diese schmelzen aus Eis am Boden Wasser, das mittels einer Pumpe zu den im Innenraum des Grundkörpers 56 der Wasserversorgungseinheit 44 angeordneten Wassertanks 64 gefördert wird. Nach der Befüllung der Wassertanks 64 steigt die Wasserversorgungseinheit 44 zu den Solarballons 1 , 1 ' auf und gibt das Wasser an diese ab, wie dies skizzenhaft für den Verfahrensablauf in Fig. 11 gezeigt ist. Dabei bildet die Wasserversorgungseinheit 44 zusammen mit dem Solarballon 1, 1 ' ein autarkes Produktionssystem. Als alternative Versorgung des Solarballons 1, 1 ' wäre die direkte Versorgung aus dem Wassergehalt der Luft denkbar, beispielsweise durch Kondensierung. Der Antrieb erfolgt im Ausführungsbeispiel durch Strom aus der Photovoltaikfläche 58 und/oder Strom aus einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle oder einer Batterieeinheit, die jeweils geeignet einen Elektromotor antreiben können. Ebenso wie die Solarballons 1 , 1 ' ist die Wasserversorgungseinheit 44 zusätzlich zu den Tanks (64) für Wasser (H2O) auch mit nicht ausdrücklich dargestellten Tanks für Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) ausgerüstet.

Ein Ausführungsbeispiel für den Tanker 46 ist in Fig. 12 in seitlicher Ansicht gezeigt. Vom Aufbau her ist ein solcher Tanker im Ausführungsbeispiel im Wesentlichen nach Art eines konventionellen Luftschiffs ausgelegt. Der Tanker 46 sollte in der Lage sein, auch große Strecken zurückzulegen, weswegen er in der in Fig. 12 gezeigten bevorzugten Ausführungsform in einer aerodynamischen Form hergestellt ist. Als Antrieb sind Luftschrauben 70 vorgesehen, deren Energieversorgung beispielsweise durch Elektromotoren 72 mit einer Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzelle, einer Batterieeinheit, einer Photovoltaikanlage oder einer Kombination dieser Möglichkeiten erfolgen kann. Alternativ könnte auch eine Anzahl von Wasserstoffmotoren vorgesehen sein. Der Tanker 46 ist ferner mit einem nicht näher dargestellten Steuerungssystem zur eigenständigen, autonomen Bewegung versehen und - als eigenständiges Fluggerät - ebenfalls mit nicht näher dargestellten Tanks für Wasser (H ₂ O), für Wasserstoff (H2) und für Sauerstoff (O2) ausgerüstet. Alternativ oder zusätzlich können, je nach Auslegung des Systems, selbstverständlich auch Ammoniak- Tanks vorgesehen sein. Von besonderer Bedeutung für eine zuverlässige Betriebsweise des Systems 40 ist ein zuverlässiger, problemloser Medientransfer zwischen den einzelnen Komponenten, da der in der Produktionseinheiten 1, 1 ' erzeugte Wasserstoff bzw. das erzeugte Ammoniak zuverlässig und möglichst verlustarm an die Wasserstoff/Ammoniak-Tanker 46 und von diesen nach dem Transport an die jeweiligen Terminals 48 übergeben werden muss. Andererseits muss auch das von den Wasserversorgungseinheiten 44 herbeigeführte Wasser an die Produktionseinheiten 1, 1 ' übergeben werden.

Um diese Übergabevorgänge möglichst zuverlässig und verlustarm auszugestalten, sind die genannten Komponenten an den jeweils relevanten Schnittstellen mit einem als eigenständig erfinderisch angesehenen Docking- oder Verbindungssystem 74 ausgerüstet. Dieses ist dafür ausgerüstet, einerseits eine zuverlässige und stabile lösbare Verbindung zwischen jeweils zwei der genannten Komponenten zu bieten und andererseits den zuverlässigen Medientransfer zwischen den Komponenten zu ermöglichen. Dazu umfasst das Docking- oder Verbindungssystem, wie in Fig. 13 im Schnitt dargestellt, zwei zueinander komplementäre, aufeinander abgestimmte Verbindungselemente 76, 78, von denen das erste Verbindungselement 76 als „männlich“ und das zweite Verbindungselement 78 als „weiblich“ bezeichnet werden könnte. Beide Verbindungselemente 76, 78 weisen jeweils eine Grundplatte 80 auf, über die in der Art eines Flächenkontakts der mechanische Anschluss an die jeweils andere Grundplatte 80 hergestellt werden kann. Seitlich an der jeweiligen Grundplatte 80 ist ein umlaufender Kragen 82, 84 angeordnet, der im Fall des ersten, männlichen Verbindungselements 76 um einen vorgegebenen Winkel, im Ausführungsbeispiel 45°, nach hinten, also vom anderen Verbindungselement 78 weg, und im Fall des zweiten, weiblichen Verbindungselements 78 um denselben vorgegebenen Winkel nach vorne, also dem anderen Verbindungselement 76 zu, geneigt angebracht ist. Die beiden Kragen 82, 84 bilden somit gemeinsam eine Führungspaarung für das Dockingsystem 74, die sicherstellt, dass bei einer Herstellung des Kontakts zwischen den beiden Grundplatten 80 miteinander diese relativ zueinander korrekt geführt und auslegungsgemäß zueinander zentriert werden. Die Fixierung der beiden Grundplatten 80 aneinander kann sodann mit geeigneten Mitteln, beispielsweise einem Unterdrucksystem oder mittels magnetischer Elemente, hergestellt und aufrechterhalten werden.

In Fig. 14 sind die Grundplatten 80 des männlichen Verbindungselements 76 und des weiblichen Verbindungselements 78 jeweils in perspektivischer Ansicht gezeigt. Daraus wird deutlich, dass die Grundplatten mit einer Anzahl von Medienkupplungen versehen sind, die einen sicheren Transfer der vorliegend wichtigen Medien Wasserstoff, Sauerstoff und Wasser ermöglichen. Dazu weist die dem „männlichen“ Verbindungselement 76 zugeordnete Grundplatte 80 einen dem Medium Wasserstoff zugeordneten Verbindungsstecker 90, einen dem Medium Sauerstoff zugeordneten Verbindungsstecker 92 und einen dem Medium Wasser zugeordneten Verbindungsstecker 94 auf. Komplementär zu diesen weist die dem „weiblichen“ Verbindungselement 78 zugeordnete Grundplatte 80 eine dem Medium Wasserstoff zugeordnete Verbindungsmuffe 96, eine dem Medium Sauerstoff zugeordnete Verbindungsmuffe 98 und eine dem Medium Wasser zugeordnete Verbindungsmuffe 100 auf. Diese Elemente sind mit geeigneten selbstschließenden Ventilen versehen. Wenn eine Verbindung zwischen den Grundplatten 80 hergestellt wird, werden gleichermaßen die entsprechenden Medienverbindungen mittels dieser Steckverbindungen hergestellt, so dass ein Medienaustausch zwischen den Komponenten möglich wird.

Selbstverständlich kann bedarfsweise alternativ oder zusätzlich auch eine dem Medium Ammoniak zugeordnete Verbinderpaarung vorgesehen sein.

Alternativ oder zusätzlich kann zur Verbindung oder Kopplung mehrerer der genannten Komponenten auch ein Kopplungssystem 110 vorgesehen sein, wie es beispielhaft ausschnittsweise für die Verbindung einer Produktionseinheit 1, 1 ' mit einem Tanker 46 in seitlicher Ansicht in Fig. 15 gezeigt ist. Das Kopplungssystem 110 dient unter anderem, ggf. zusätzlich zu einem Medientransfer der vorstehend beschriebenen Art, der Übergabe von Technik- und Tankmodulen zwischen den Systemkomponenten Solarballon - Water- Supplyllnit/Tanker 46; es kann somit beispielsweise zum Austausch oder Transfer von Tankmodulen und/oder zum Austausch von Technikmodulen 2 zwischen beliebigen der genannten Komponenten vorgesehen sein.

Das Kopplungssystem 110 umfasst, wie dies der Darstellung in Fig. 15 entnehmbar ist, eine Paarung von aneinander koppelbaren Außenringen 112, 114, von denen jeweils einer an einer der zu verbindenden Komponenten angeordnet ist. Wie der Draufsicht gern. Fig. 16 entnehmbar ist, umschließt das Paar der Außenringe 112,114 einen innenseitigen Schacht 116, über den die genannten Module oder auch andere Gegenstände zwischen den gekoppelten Komponenten übergeben werden können. Das Kopplungssystem 110 bildet somit einen ringförmigen Andockmechanismus. Dieser weist mittig den Schacht 116 auf, durch welchen Module übergeben werden. Die Module sind dabei isoliert oder separiert voneinander und werden als Ganzes durch den Schacht 116 transportiert. Die Komponenten des Systems 40 sind in als eigenständig erfinderisch angesehener Ausgestaltung mit entsprechenden Verbindungselementen 76, 78 und/oder Kopplungssystemen 110 ausgerüstet, wobei sämtliche weiblichen mit sämtlichen männlichen Verbindungselementen kompatibel ausgestaltet sind, so dass die Komponenten des Systems 40 beliebig und zweckentsprechend miteinander verbunden werden können. Im gezeigten Ausführungsbeispiel kann dabei, bedingt durch den bestimmungsgemäßen Gebrauch der Komponenten im Schwebetrieb, zwischen der Ausrichtung „oben“ (= von der Erde ab- und der Sonne zugewandt) und „unten“ (= der Erde zugewandt) unterschieden werden. Um dabei eine systemweite Kompatibilität der Komponenten miteinander zu ermöglichen, sind alle Komponenten des Systems 40 an ihrem jeweils unteren Bereich mit einem „weiblichen“ Verbindungselement 78 bzw. Außenring 114 und an ihrem oberen Bereich mit einem „männlichen“ Verbindungselement 76 bzw. Außenring 112 ausgerüstet. Selbstverständlich könnte dies auch umgekehrt ausgeführt sein.

Bezugszeichenliste

1 Produktionseinheit

2 Technikmodul

4 Elektrolyseeinheit

6 Wasserspeicher

8 Photovoltaik-Einheit

10 Wasserstoffspeicher

11 Syntheseeinheit

12 Ballonhülle

14 Auftriebskörper

16 Leichtbau-Tragestruktur

18 Auftriebsgasbehälter

19 Ringkörper

20 Photovoltaik-Element

22 Tragestruktur

23 Ringmodule

24 Linie

26 Elektromotor

28 Luftschraube

30 Wassertank

40 System

42 Erde

44 Wasserversorgungseinheit

46 Wasserstoff-Tanker

48 Wasserstoff-Terminal

50 Nordpol

52 Südpol

56 Grundkörper

58 Photovoltaikfläche

60 Ausfahrstempel

62 Heizrohr

64 Wassertank

70 Luftschrauben

72 Elektromotoren

74 Dockingsystem ,78 Verbindungselement Grundplatte ,84 Kragen -94 Verbindungsstecker-100 Verbindungsmuffe0 Kopplungssystem2, 114 Außenring 6 Schacht