Elektrolysesystem, insbesondere zur atmosphärischen Wasserelektrolyse

Die Erfindung betri f ft ein Elektrolysesystem, insbesondere zur atmosphärische Wasserelektrolyse , mit einer Mehrzahl von Elektrolyseanlagen, die j eweils einen Elektrolyseur aufweisen .

Bei einer Elektrolyse wird mittels elektrischen Stroms eine chemische Reaktion, insbesondere eine Redoxreaktion, angestoßen, wobei elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt wird . Die dafür benötigte elektrische Energie liefert eine Gleichspannungsquelle , welche zwei elektrische Pole , eine Anode und eine Kathode , aufweist . Durch zwei Elektroden, die Anode und die Kathode , wird ein elektrischer Gleichstrom in einen leitenden Elektrolyten, beispielsweise eine leitende Flüssigkeit , geleitet . Bei einer Protonen-Austausch-Elektro- lyse ( PEM-Elektrolyse ) erfolgt die Leitung zumindest teilweise durch eine Protonen-Austausch-Membran, welche für positiv geladene Protonen durchlässig ist . An den Elektroden entstehen durch die Elektrolyse , das heißt durch Leiten des Gleichstroms der Gleichspannungsquelle , beispielsweise mittels Protonen, von der einen zur anderen Elektrode , Reaktionsprodukte der elektrochemischen Reaktion aus den im Elektrolyten beziehungsweise der Flüssigkeit enthaltenen Stof fen beziehungsweise Elementen . Neben PEM-Elektrolyseanlagen, die im sauren Milieu arbeiten sind beispielsweise auch alkalische Elektrolyseure bekannt und häufig verwendet .

Die Gleichspannungsquelle bewirkt einen Elektronenmangel in der mit dem Pluspol verbundenen Elektrode , der Anode , und einen Elektronenüberschuss in der mit dem Minuspol verbundenen Elektrode , der Kathode . An der Kathode nehmen elektroneutrale oder positiv geladene Stof fe Elektronen auf und werden dadurch reduziert . An der Anode erfolgt die Abgabe von Elekt- ronen in die Elektrode beziehungsweise Anode , wobei der Stof f beziehungsweise die Stof fe dort oxidiert werden .

Eine häufige Form der Elektrolyse ist die Wasserelektrolyse , mittels derer einer Zerlegung von Wasser in Wasserstof f und Sauerstof f stattfindet , wobei eine einfache Reaktionsgleichung 2H ₂ 0 -> 2H ₂ + 0 ₂ lauten kann . Dies kann mittels Protonen- Austausch-Elektrolyse ( PEM-Elektrolyse aus dem Englischen Proton Exchange Membrane Electrolysis ) erfolgen, dabei wird Wasser in einer Elektrolysezelle mit einem festen Polymerelektrolyten elektrochemisch auf gespalten . Der Polymerelektrolyt , genauer eine Polymer-Elektrolyt-Membran beziehungsweise die Proton-Austausch-Membran, ist dabei für die Leitung von Protonen, den Wasserstof f ionen, die Trennung von Produktgasen und die elektrische I solierung der Elektroden verantwortlich . Als Produktgase entstehen bei der Niederdruck-PEM- Elektrolyse molekularer Sauerstof f 0 ₂ sowie molekularer Wasserstof f H ₂ aus Wasser H ₂ 0. Die Polymer-Elektrolyt-Membran weist aufgrund ihrer festen Struktur eine geringe Gasübertragungsrate auf , was zu einer sehr hohen Produktgasreinheit führt . Die Aufrechterhaltung einer hohen Gasreinheit ist wichtig für die Lagersicherheit und den direkten Einsatz des Produktgases beispielsweise in einer Brennstof f zelle .

Die Wasserelektrolyse mittels PEM-Elektrolyse ist beispielsweise aufgrund von dynamischen Reaktions zeiten und hohen Wirkungsgraden eine vielversprechende Technologie zur Energiespeicherung in Verbindung mit erneuerbaren Energiequellen . So kann sie beispielsweise bei den sogenannten Power-to-Gas- Konzepten bei über dem Bedarf liegenden temporären Stromüberschüssen, beispielsweise bei der Produktion erneuerbarer Energie , überschüssigen Strom in Form von Energie speichern .

Der Druckbetrieb von kommerziellen PEM-Elektrolyseuren kann neben dem drucklosen Betrieb ( atmosphärischer Betrieb ) in Gleich- und Di f ferenzdruck unterschieden werden . Atmosphärische Wasserelektrolysen erzeugen Wasserstof f und Sauerstof f bei geringem Überdruck und stellen aus heutiger Sicht eine präferierte Lösung zur Erreichung einer hohen Leistungs flexibilität bei gleichzeitiger Kostenminimierung dar . Für die Nutzung dieser durch Elektrolyse erzeugten Produktgase ist in vielen nachgeschalteten Prozessen oder auch zur Speicherung des Wasserstof fes daher eine Druckerhöhung mittels Verdichter erforderlich .

Daher ist als ein wesentlicher Prozessschritt eine mechanische Verdichtung des Wasserstof fs auf einen geforderten Speicherdruck notwendig . Der maximale Speicherdruck ist abhängig von der j eweiligen Anwendung der Elektrolyseanlage . So kann etwa die Nutzung von Wasserstof f in einem Industriebetrieb in Verbindung mit einer Elektrolyseanlage in der Nähe einen Druck zwischen 5 und 15 bar erfordern, wie etwa für ein Stahlwerk . Die Versorgung einer Pipeline erfordert Drucke zwischen 50 und 100 bar . Tankstellenanwendungen erfordern Druckniveaus bis zu 850 bar . Für die großtechnische Speicherung von Wasserstof f werden üblicherweise Druckspeicher verwendet , die bis zu einem Druck von 200 bar beschickt werden können, was zum Teil sehr aufwändige und kostenintensive Investitionen in die Errichtung und den Betrieb von Verdichteranlagen in einem Elektrolysesystem erfordert . Die Weiterverwendung des Wasserstof fs in chemischen Prozessen wie z . B . der Ammoniaksynthese erfordern Drucke zwischen etwa 150 und 350 bar .

Dabei benötigt ein isothermer Kompressionsprozess weniger Verdichterarbeit als der isentrope Prozess dies erfordert . Die spezi fische Verdichterarbeit von atmosphärischem Druck auf 50 bar liegt rechnerisch mit etwa 20 kJ /mol nahezu 50 Prozent über der notwendigen Arbeit für den isothermen Prozess . Diese Energiemenge entspricht etwa 8 Prozent des unteren Hei zwerts von Wasserstof f . Durch den Wärmedurchgang bei realen Verdichtern ergibt sich in der Praxis einer atmosphärischen Elektrolyseanlage für technische Anwendungen eine Verdichterarbeit zwischen den beiden Grenz fällen isentrop und isotherm . Im Hinblick auf die zu erwartenden und geforderten zunehmenden Anlagengrößen von atmosphärischen Elektrolysesystemen im industriellen Maßstab von mehr als 100MW Leistung, ist daher ein zunehmender Bedarf innerhalb großskaliger Elektrolysesysteme eine angepasste Verdichteranlage zu konzipieren . Diese soll gegenüber den bisher bekannten Lösungen unter Kostengesichtspunkten verbessert sein, bei gleichzeitiger Sicherstellung der erforderlichen Betriebs flexibilität , wie es ein Betrieb im industriellen Maßstab erfordert .

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Elektrolysesystem anzugeben, das die Anforderungen einer ef fi zienten und kostengünstigen Verdichtung mit einer hohen Betriebs flexibilität bei großen Elektrolyseleistungen verbindet .

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Elektrolysesystem mit einer Mehrzahl von Elektrolyseanlagen, die j eweils einen Elektrolyseur mit einer j eweiligen Produktgas- Leitung aufweisen, mittels derer ein Produktgas aus der Elektrolyseanlage herausleitbar ist , und mit einer Verdichteranlage umfassend eine Vorverdichtungseinrichtung mit einer Mehrzahl von Vorverdichtern, eine Nachverdichterstation und eine zentrale Sammelleitung, wobei die Produktgas-Leitung eingangsseitig an einen Vorverdichter und die Vorverdichter ausgangsseitig an die zentrale Sammelleitung angeschlossen sind, und wobei die Nachverdichterstation an die zentrale Sammelleitung angeschlossen ist .

Die Erfindung geht hierbei bereits von der Erkenntnis aus , dass bei größeren Anlagenleistungen im industriellen Maßstab die bekannten Elektrolysesysteme aufgrund der erforderlichen hohen Verdichtungsleistungen aus Kostengründen und wegen systemischer Betriebserfordernisse nicht ohne weiteres weiter hochskalierbar sind, ohne erhebliche Nachteile in Kauf zu nehmen .

Zwar stellen die atmosphärische Wasserelektrolysen aus heutiger Sicht sowohl unter wirtschaftlichen als auch unter tech- nologischen Überlegungen eine besonders präferierte Lösung zur Erreichung einer hohen Leistungs flexibilität bei gleichzeitiger Kostenminimierung dar . Für die Nutzung dieser durch Elektrolyse erzeugten Gase ist in vielen nachgeschalteten Prozessen oder auch zur Speicherung des Wasserstof fes eine Druckerhöhung mittels Verdichter erforderlich . Aufgrund der geringen Dichte von Wasserstof f werden hierfür überwiegend Kolben- oder Membranverdichter eingesetzt , da die für Verdichtungsprozesse üblicherweise verwendeten konventionellen Turboverdichter aufgrund der notwendigen hohen Stufenzahl bedingt durch die chemischen bzw . molekularen Eigenschaften des Wasserstof fs unwirtschaftlich herstellbar und betreibbar wären . Das Konstruktionsprinzip der Kolbenverdichter verursacht aber sowohl auf der Saug- als auch auf der Druckseite nachteilige Druckschwankungen, die zu einer Lebensdauerreduzierung der Elektrolyse oder betrieblichen Aus fällen führen können . Die der Elektrolyse nachgelagerte Verdichtung, aber auch andere nachfolgende Prozessschritte , haben zusätzlich ein von der Elektrolyse abweichendes dynamisches Verhalten bei transienten Vorgängen und müssen für einen stabilen Betrieb entkoppelt werden . Ein zwischengeschalteter Speicher mit festem Volumen, dessen Wirkprinzip für Ein- und Ausspeichervorgänge aus der Druckvariation besteht , steht hierfür nicht zur Verfügung, da diese Druckvarianz bei atmosphärischen Anwendungen zu gering wäre und zu enormen Speichervolumina und damit zu einem erheblichen Kosten- bzw . Platzbedarf führen würde . Die Zwischenspeicherung erfolgt in der Regel in einem Konstantdruck Kolbengasspeicher, dessen Kolbengewicht den Druck Konstant hält und die Füllhöhe das Volumen beschreibt

Mit der Erfindung wird in einem atmosphärischen Elektrolysesystem mit mehreren Elektrolyseanlagen eine zweistufiges Verdichtungskonzept vorgeschlagen, die eine Vorverdichtung in der Vorverdichtungseinrichtung und eine nachgeschaltete zentralen Nachverdichtung in der Nachverdichterstation umfasst . Dabei sind in der Verdichteranlage die beiden Subsysteme aufeinander abgestimmt und wirken zusammen, um insgesamt eine möglichst ef fi ziente und kostengünstigen Verdichtung mit ei- ner hohen Betriebs flexibilität und mit hoher Verfügbarkeit bei großen Elektrolyseleistungen von mehreren 100 MW zu erreichen . Durch die anlagentechnische und funktionale Trennung der Vorverdichtungseinrichtung und der Nachverdichterstation ist eine Entkopplung möglich, die eine hohe Flexibilität bei der Wahl und Auslegung der j eweiligen Verdichter vor allem unter Kostengesichtspunkten begünstigt . In die zentrale Sammelleitung ist als Produktgas vorverdichteter Wasserstof f aus der Vorverdichtungseinrichtung von der Produktgas-Leitung einspeisbar, und zwar bei einem vorgegebenen Betriebsdruck von 2 bis 20 bar, vorzugsweise 8 bar als Ausgangsdruck aus der Vorverdichtung . Die zentrale Sammelleitung ist daher für die Zufuhr und den Transport und ggf . eine temporäre Zwischenspeicherung von großen Gasvolumina aus der Mehrzahl der über eine j eweilige Produktgas-Leitung angeschlossenen Elektrolyseanlagen ausgelegt , und zwar unter Beachtung des Betriebsdrucks des vorverdichteten Wasserstof fs aus dieser ersten Druckstufe der Vorverdichtung .

Um diese Kosten von Elektrolyseanlagen zu reduzieren, ist durch das hier vorgeschlagene Elektrolysesystem mit einer angepassten gestuften Verdichtung in der Verdichteranlage eine kostengünstige Vorverdichtung realisiert . Die hierfür bisher vorgeschlagenen Ansätze bestehen in der Umsetzung eines druckauf geladenen Elektrolyseprozess , welcher bereits einen Vordruck von 8 bar bis zu 30 bar bereitstellen kann . Da allerdings druckauf geladene Elektrolysen betrieblich weniger flexibel und für Anlagengrößen von über 100MW Elektrolyseleistung bisher nicht konzipiert sind, geht die Erfindung den Weg, die bewährte atmosphärische Elektrolyse für großtechnische Elektrolysesysteme weiterzuentwickeln und eine technisch umsetzbare alternative Ausgestaltung zur Druckelektrolyse auf zuzeigen .

Vorgeschlagen wird in einem atmosphärischen Elektrolysesystem mithin eine sehr vorteilhafte Kombination aus einer Vorverdichtungseinrichtung und einer vorzugsweise zentralen Nachverdichterstation . Die Verdichter der Vorverdichtungseinrich- tung dienen hierbei als Niederdruckverdichter und werden für die Vorverdichtung des Wasserstof fes aus den Elektrolyseuren auf einen vorbestimmten und möglichst konstanten Ausgangsdruck, beispielsweise 8 bar, eingesetzt . Bei großen Elektrolysesystemen wird einer oder mehreren Elektrolyseanlagen j eweils ein Vorverdichter zugeordnet , welcher in eine gemeinsame zentrale Sammelleitung einspeist . Es ist dabei auch möglich, dass eine Elektrolyseanlage an zwei verschiedene Vorverdichter angeschlossen ist , wobei dann zwei Produktgas- Leitungen von dieser Elektrolyseanlage j eweils zu einem der beiden Vorverdichter anschließt . Auch können mehrere Elektrolyseanlagen, beispielsweise zwei Elektrolyseanlagen, über eine j eweilige Produktgas-Leitung an ein und denselben Vorverdichter anschließen, so dass Wasserstof f-Produktgas aus zwei oder aus mehreren Elektrolyseuren in den Vorverdichter auf dessen Saugseite einströmbar ist . Somit ist in der Vorverdichtungseinrichtung eine sehr einfache Redundanz bzw . Mehrfachnutzung der Vorverdichter realisiert , die einen kontinuierlichen und zugleich flexiblem Betrieb ermöglicht . Die zentrale Sammelleitung kann hierbei auch parallel auch von weiteren Elektrolyseanlagen über die Vorverdichter versorgt werden, so dass das Elektrolysesystem ausbaufähig und für große Elektrolyseleistungen skalierbar ist . Aufgrund der Mehrzahl der Vorverdichter in der Vorverdichtungseinrichtung werden hier für die erste Verdichtungsstufe möglichst einfache und kostengünstige Verdichterlösungen gewählt .

Die zentrale Sammelleitung ist für den nächsten Prozessschritt mit der Nachverdichterstation strömungstechnisch über eine Anschlussleitung verbunden, wo die Nachverdichtung des vorverdichteten Wasserstof fs auf einen geforderten Enddruck erfolgen kann, der von der j eweiligen Wasserstof fnutzung abhängig ist . In den meisten der Fälle sind Drücke von 30bar oder darüber hinaus gefordert .

Vorzugsweise sind hierbei die Vorverdichter auf annähernd atmosphärischen Eingangsdruck ausgelegt und die Verdichterieis- tung der Vorverdichter auf einen Ausgangsdruck von maximal 10 bar begrenzt .

Ausgangsdrucke zwischen 2 bar und 9 bar sind vorteilhaft , insbesondere 8 bar haben sich bei der Auslegung von großen Elektrolysesystemen beispielsweise als besonders zweckmäßig erwiesen für die Vorverdichtung und zugleich als Einspeisedruck in die zentrale Sammelleitung . Dies ist zugleich der Eingangsdruck auf der Saugseite der Nachverdichterstation, so dass für die zentrale Nachverdichtung der großen Wasserstof f- Volumenströme aus der Sammelleitung ein günstigeres Druckverhältnis eingestellt ist und damit ein weiterer Ef fi zienzgewinn sowie eine damit einhergehende Kostenreduktion erzielbar sind . Durch dieses Betriebs fenster ist auf der Wasserstof fseite für eine atmosphärische Elektrolyse ein besonders ef fi zienter und verlustarmer Betrieb erreichbar, und ein präziser Ausgangsdruck einstellbar und haltbar .

Weiter bevorzugt sind die Vorverdichter in räumlicher Nähe der zu der Elektrolyseanlage angeordnet , so dass der Leitungsweg der j eweiligen Produktgas-Leitung minimiert ist . Dagegen kann die Nachverdichterstation zentral in räumlicher Nähe zu den Vorverdichtern oder wahlweise auch an einem entfernteren für das j eweiligen Einsatzsituation sinnvollen Standort angeordnet sein .

Hierdurch kann der Druckverlust reduziert werden . Da Verdichter auf Basis von Druckverhältnissen arbeiten, ist bei Elektrolyseanlagen mit niedrigem Betriebsdruck der Druckverlust der Wasserstof f leitung zum Verdichter entscheidend, um den Energieaufwand für die Verdichtung nicht überproportional steigen zu lassen . Die Vorverdichter werden daher bevorzugt in unmittelbarer räumlicher Nähe zu den Elektrolyseanlagen, insbesondere den Elektrolyseuren, angeordnet . Ein weiterer Vorteil des Vorverdichtungskonzepts ist die hohe Verfügbarkeit der gewählten Verdichter für die Vorverdichtung und die damit verbundene Möglichkeit , auf eine aufwändige redundante Aus führung - beispielsweise zwei Vorverdichter pro Elektroly- seanlage - im unteren Druckbereich verzichten zu können . Eine mehrfach-redundante Aus führung wäre somit allenfalls noch nur für die nachgeschalteten Nachverdichterstation erforderlich .

In besonders bevorzugter Ausgestaltung des Elektrolysesystem sind in der Vorverdichtungseinrichtung die Verdichter als Schraubenverdichter ausgestaltet .

Schraubenverdichter sind verglichen zu Kolbenverdichter in ihrem Aufbau deutlich einfacher, wesentlich kostengünstiger und können große Wasserstof fmengen verdichten . Ein gewisser Nachteil besteht im Auftreten konstruktiv bedingter innerer Leckagen, welche bei steigendem Druck zu einem erheblichen Wirkungsgradabfall und zusätzlichem Energieverbrauch führen können . Dies ist besonders für die Wasserstof fverdichtung beachtlich . Daher ist eine Begrenzung der Verdichtungsleistung der als Schraubenverdichter ausgestalteten Vorverdichter auf einen Ausgangsdruck von kleiner als 10 bar zu bevorzugen und entsprechend einzustellen . Dies kann durch entsprechende konstruktive Auslegung des Schraubenverdichters erzielt werden .

Schraubenverdichter zeichnen sich durch eine große Unanfälligkeit und damit Betriebssicherheit gegenüber schwankenden Betriebsbedingungen und ihre bauartbedingte innere Verdichtung ohne freie Massenkräfte machen Schrauben zu flexiblen Dauerläufern mit geringster Wartungsintensität und vergleichsweise geringen Betriebskosten im Voll- und Teillastbetrieb . Das Funktionsprinzip basiert auf einem Haupt- und einem Nebenrotor, die durch fortlaufende Drehung Gasportionen von der sog . Saugseite einschließen und gegen eine kleinere Auslassgeometrie auf der sog . Druckseite ausschieben . Während der Hauptrotor in aller Regel die Funktion des Antriebs übernimmt , besteht die Aufgabe des Nebenrotors in der Kammerbildung und Abdichtung . Grundsätzlich sind Schrauben in öl frei und ölgeflutet verdichtende Maschinentypen zu unterscheiden . Beide kommen in ein- oder mehrstufigen Konzepten in Wasserstof f anwendungen zum Einsatz ; j edoch in unterschiedlichen, bauartbedingten Arbeitsbereichen, betref fend Umfangsgeschwindigkeit der Rotoren, Druckdi f ferenz und Fördervolumina ) .

In weiter bevorzugter Ausgestaltung des Elektrolysesystems ist die Nachverdichterstation als eine zentrale Nachverdichterstation ausgeführt und auf einen Enddruck von mindestens 30 bar ausgelegt . Bevorzugt erfolgt eine Auslegung auf einen Enddruck von nominell mindestens 20 bar, insbesondere nominell mindestens 30 bar .

Eine zentrale Nachverdichterstation hat den Vorteil , dass aus der zentralen Sammelleitung an einem zentralen Anschlusspunkt eine einzige Zufuhrleitung zu der Nachverdichterstation anschließt , und zugleich ein großer Massenstrom von auf den Ausgangsdruck vorverdichtetem Wasserstof f gas durch diese Zufuhrleitung übergeben werden kann . Anlagentechnisch hat dies den Vorteil , dass aufgrund des Druckes in der Zufuhrleitung die Wasserstof fdichte im Vergleich zur Produktgasleitung zur Vorverdichtung ansteigt und somit ein kleinerer Rohrleitungsdurchmesser gewählt werden kann, was in Konsequenz zu geringeren Investitions- und Gestehungskosten führt . Neben einer Reduzierung der Investitionskosten erlaubt die Kombination bestehend aus Vor- und Nachverdichtung einen robusteren Betrieb des Elektrolysesystems , da zwischen Vor- und Nachverdichtung ein höherer Druckverlust zulässig ist , was in einer besonders vorteilhaften Aus führung auch eine zentrale Nachverdichterstation in größerer Entfernung zum Elektrolysesystem ermöglicht .

In besonders bevorzugter Ausgestaltung des Elektrolysesystems ist die Nachverdichterstation als eine Kolbenverdichterstation mit einer Anzahl von Kolbenverdichtern ausgestaltet .

Besonders vorteilhaft erweist sich hier die Kombination aus Schraubenverdichter in der Vorverdichtungseinrichtung sowie eine nachgeordnete zentrale Kolbenverdichterstation . Die Schraubenverdichter dienen hierbei als Niederdruckverdichter und werden für die Vorverdichtung des Wasserstof fes eingesetzt . Bei großen Elektrolysesystemen wird einer oder mehre- ren Elektrolyseanlagen j eweils ein Schraubenverdichter zugeordnet , welcher in die gemeinsame zentrale Sammelleitung einspeist , die parallel auch von weiteren Elektrolyseanlagen mit Schraubenverdichtern versorgt werden kann . Die zentrale Sammelleitung wird in dem nachfolgenden Prozessschritt , der Nachverdichtung in der zweiten Verdichtungsstufe , mit einer zentralen Kolbenverdichterstation verbunden, wo die Nachverdichtung auf einen vorgegebenen Enddruck erfolgt , der von der j eweiligen Wasserstof fnutzung abhängig ist . In den meisten der Anwendungs fällen sind in Elektrolysesystemen Übergabedrucke von 30bar für den Wasserstof f gefordert und daher besonders vorteilhaft für einen Weitertransport und eine industrielle oder energetische Nutzung .

Dabei sind Schraubenverdichter sind verglichen mit Kolbenverdichter in ihrem Aufbau einfacher, wesentlich kostengünstiger und können große Wasserstof fmengen verdichten . Ein gewisser Nachteil von Schraubenverdichtern besteht im Auftreten konstruktiv bedingter innerer Leckagen, welche bei steigendem Druck zu einem erheblichen Wirkungsgradabfall und zusätzlichem Energieverbrauch führen können . Daher ist eine Begrenzung der Verdichtungsleistung in der Vorverdichter in der Vorverdichtungseinrichtung wie hier vorgeschlagen auf kleiner als l Obar vorteilhaft , um Leckagen zu vermeiden oder möglichst gering zu halten .

Da Verdichter auf Basis von Druckverhältnissen arbeiten, ist bei Elektrolyseanlagen mit niedrigem Betriebsdruck der Druckverlust der Wasserstof f leitung zum Verdichter eine entscheidende Einflussgröße , um den Energieaufwand für die Verdichtung nicht überproportional steigen zu lassen . Der Schraubenverdichter wird daher bevorzugt in räumlicher Nähe zu den Elektrolyseeinheiten angeordnet .

Ein weiterer Vorteil des Schraubenverdichter ist seine hohe Verfügbarkeit und die damit verbundene Möglichkeit , auf eine redundante Aus führung im unteren Druckbereich verzichten zu können . Eine redundante Aus führung wäre somit nur für die nachgeschalteten Kolbenverdichterstation vorzugsweise vorzusehen, indem eine entsprechende Anzahl von Kolbenverdichtern als Redundanz vorgehalten wird . Durch die Vorverdichtung auf beispielsweise 6 bar Ausgangsdruck des Produktgases Wasserstof f aus der Vorverdichtungseinrichtung, können somit die leistungsbegrenzenden Kolben des unteren Druckbereiches am Kolbenverdichter sogar entfallen, was neben einer erheblichen baulichen Verkleinerung auch eine Leistungserhöhung der einzelnen Verdichter ermöglicht . Somit kann die Anzahl der zentral angeordneten Kolbenverdichter reduziert und eine höhere Flexibilität erreicht werden .

Die Erfindung macht sich hier in vorteilhafter Weise die Erkenntnis zu Nutze , dass aufgrund der Stof feigenschaf ten des Wasserstof fs hierfür zwar überwiegend Kolben- oder Membranverdichter eingesetzt werden, da die für Verdichtungsprozesse üblicherweise verwendeten konventionellen Turboverdichter aufgrund der notwendigen hohen Stufenzahl unwirtschaftlich herstellbar wären . Bei Kolbenverdichtern wiederum sind die gerade die ersten Verdichtungsstufen, die den Wasserstof f von einem atmosphärischen Druckniveau von ca . 1 bar auf beispielsweise 7- 8 bar komprimieren, für die Größe und Kosten dominierend . Je höher der Eintrittsdruck in den Verdichter gewählt ist , desto geringer der Energieaufwand, den der Verdichter erbringen muss und desto geringer die Investitionskosten des Kolbenverdichters .

Mithin ist die Anzahl der Kolbenverdichter damit im Wesentlichen nur noch durch die oben beschriebenen Redundanzanforderungen definiert . Die j etzt durch die zentrale Kolbenverdichterstation zentral als N+ l Einheit und nicht als 2 N ausgeführt werden kann .

In besonders bevorzugter Ausgestaltung des Elektrolysesystems ist an die zentrale Sammelleitung ein Druckgasspeicher angeschlossen . Hierdurch ist der Druckgasspeicher mit vorverdichtetem Wasserstof f als Produktgas bei dem Arbeitsdruck beladbar und wirkt zugleich als Puf ferspeicher . Dieses druckbeladene Gasreservoir dient in vorteilhafter Weise dazu, Leistungsschwankungen besser ausgleichen zu können, so dass bedarfsweise Wasserstof f aus dem Druckgasspeicher in die zentrale Sammelleitung eingespeist werden kann oder auch von dem Druckgasspeicher in die zentrale Sammelleitung in wohldosierter Weise zuführbar ist . Dies begünstigt einen besonders stabilen Betrieb des zweistufigen Verdichtungskonzepts und eine präzise Druckhaltung bei dem vorgegebenen Ausgangsdruck bei beispielsweise etwa 8 bar Solldruck, der zugleich der vorgegebene Eingangsdruck auf der Saugseite der Nachverdichterstation ist . Der Druckgasspeicher kann zur Druckhaltung bzw . Druckreduktion mit einer Drossel , also einem Druckminderer, oder bedarfsweise auch mit einem bidirektionalen Regelventil ausgestattet sein, so dass wahlweise ein Einspeichern oder Ausspeichern erzielbar ist .

Vorzugsweise das Elektrolysesystem eine Gasrückführleitung auf , die druckseitig von der Nachverdichterstation abzweigt und an den Druckgasspeicher angeschlossen ist .

Somit ist eine Beladung des Druckgasspeichers mit zusätzlichem hochverdichtetem Wasserstof f aus der zweiten Verdichtungsstufe möglich, indem bedarfsweise verdichteter Wasserstof f bei ca . 30 bar ausgekoppelt und dem Druckgasspeicher über die Gasrückführleitung zugeführt wird . Somit ist auch eine Beladung des Gasdruckspeichers bei einem Druck größer als der Druck in der zentralen Sammelleitung einstellbar, vorteilhafterweise zwischen etwa 8 bar und 30 bar .

Zur Einstellung eines gewünschten Beladungsdrucks ist in der Rückführleitung eine Druckminderungseinrichtung eingebaut , die vorzugsweise als eine Gasentspannungsturbine ausgeführt sein kann . Hierdurch ist eine besonders vorteilhafte Möglichkeit geschaf fen, um eine Druckanpassung für den vorgegebenen Beladungsdruck in dem Druckgasspeicher vornehmen zu können . Der Enddruck des zweistufig komprimierten Wasserstof fs von beispielsweise 30 bar nach der Nachverdichterstation kann somit bei einer Rückführung auf den gewünschten Speicherdruck abgesenkt werden .

Die Ausgestaltung der Druckminderungsvorrichtung als Gasentspannungsturbine ist vorliegend besonders vorteilhaft , da hier noch eine energetische Nutzung des sich im Expander entspannenden Wasserstof f gases möglich ist , etwa durch Antreiben eines an die Turbinenwelle angekoppelten elektrischen Generators , oder indem die Temperaturabsenkung des Wasserstof f gases ausgenutzt wird, beispielsweise durch thermische Ankopplung an einen Wärmetauscher oder eine Kühlvorrichtung in dem Elektrolysesystem .

Ein Expander auch Turboexpander, Gasentspannungs- oder Expansionsturbine genannt , gehört zur Familie der Turbinen, in der ein unter Druck stehendes Gas expandiert und dabei Arbeit leistet . Ein Expander besteht im Gegensatz zu einer Gasturbine im weiteren Sinne nur aus der eigentlichen Turbine , verfügt also nicht über einen Verdichter oder eine Brennkammer als integralen Bestandteil der Maschine . Das zu expandierende Gas wird also nicht von der Maschine selbst erzeugt , vorliegend erfolgt die Verdichtung durch die Nachverdichterstation, es fällt also aus dem vorgeschalteten Verdichtungsprozess an . Im Gegensatz zur Druckminderung durch eine einfache Drossel wird durch den Expander auch die Energie des Gases vorteilhaft nutzbar . Die Expansionsturbine kann ein- oder mehrstufig, axialer oder radialer Bauart sein . Die abgeführte mechanische Arbeit kann wie oben beschrieben zum Antrieb eines Generators , einer Pumpe oder eines Kompressors verwendet werden . Die Expansion kann alternativ auch in einem Gaskolbenmotor umgesetzt werden . In weiter bevorzugter Ausgestaltung weist in dem Elektrolysesystem die Vorverdichtungseinrichtung eine Bypass-Leitung auf , in die ein Gas zwischenspeicher geschaltet ist , wobei die Bypass-Leitung an die Produktgas-Leitung angeschlossen ist .

Der Einbau eines Gas zwischenspeichers als Niederdruck- Gasspeicher in einer Bypass-Leitung zur Produktgas-Leitung einer Elektrolyseanlage ist aufgrund der Möglichkeit der Beladung und Fahrweise des Gas zwischenspeichers unter konstantem Druck besonders vorteilhaft . Für die Druckhaltung ist eine Betriebsweise mit Konstantdruck vorzusehen . Hierbei kann der Gas zwischenspeicher vorteilhafterweise kleinste und kurzfristige Druckänderungen im Sekundenbereich wirksam auf den Drucksollwert regeln . Für die nachgelagerte Verdichtung schlagen eventuelle Druckänderungen, insbesondere kurz zeitige Druckschwankungen, somit nicht mehr durch . Der Gas zwischenspeicher kann als zentraler Gas zwischenspeicher ausgestaltet sein, d . h . von der j eweiligen Produktgas-Leitung mehrerer Elektrolyseanlagen zweigen Leitungen ab, so dass eine gemeinsame Bypass-Leitung gebildet ist , in der ein zentraler Gaszwischenspeicher angeordnet ist .

Vorgeschlagen wird hier bevorzugt der Einsatz eines Gas zwischenspeichers unter konstantem Druckbetrieb zur Niederdruckgasspeicherung des erzeugten Wasserstof fs , dessen Wirkprinzip vorzugsweise die Volumenänderung und nicht die Druckänderung ist . Hierfür wird das zu speichernde oder zu puf fernde Speichervolumen bei konstantem Druck verändert und kann so eine Entkopplung des dynamischen Verhaltens der Prozesse und speziell der Wechselwirkungen von Elektrolyse und Verdichtung bewirken und Druckschwankungen besonders ef fi zient vermeiden . Die Puf ferung erfolgt dabei in vorteilhafter Weise durch eine geometrische Volumenänderung des Speicherraums des Gas zwischenspeichers , wobei der Betriebsdruck im System nahezu konstant bleibt . Das Konstruktionsprinzip des Gas zwischenspeichers gestattet die Änderung des geometrischen Volumens des Behälters bei nahezu konstantem Druck mittels einer Membran und einem Aktuator, so dass dieser besonders vorteilhaft als Ausgleichspuf fer zwischen Elektrolyse und nachgeschaltetem Verdichter dienen kann . Überdies wird eine Angleichung der Massenströme von Elektrolyse und Verdichter durch die j eweiligen Regelmechanismen der beiden Einheiten ermöglicht , so dass ein stabiler Betrieb erzielt ist .

Als eine besonders einfachere Realisierung ist j e nach Anforderung als Niederdruck-Gas zwischenspeicher aber auch ein Membranspeicher denkbar, der ohne eine Konstantdruckregelung auskommt . Der Speicherbehälter des Gas zwischenspeichers ist hierbei mit einer Membran oder Blase ausgekleidet , die sich bei einem langsamen Druckanstieg in Richtung Behälterwand ausdehnen kann . Die Membran wirkt dabei lediglich als ein passives Dämpfungselement und dämpft auftretende Druckschwankungen, hält den Druck aber nicht konstant auf einem Sollwert oder führt ihn nach der erfolgten Dämpfung oder Druckänderung auf einen Sollwert zurück .

In besonders bevorzugter Ausgestaltung ist der Gas zwischenspeicher als ein Konstantdruck-Kolbenspeicher ausgestaltet ist , so dass der Druck nach der Elektrolyse und vor der Verdichtung auf einem konstanten Eingangsdruck einstellbar ist und auf dem Eingangsdruck gehalten werden kann .

Vorzugsweise ist eine Kühlvorrichtung zum Kühlen des Produktgases vorgesehen, die den Vorverdichtern nachgeschaltet ist .

Diese Kühlvorrichtung dient der Zwischenkühlung des in den Vorverdichtern verdichteten Produktgases , insbesondere des im Elektrolyseur erzeugten und danach verdichteten Wasserstof fs . Die Vorverdichtung führt zu einem Temperaturanstieg des Wasserstof fs , so dass eine Zwischenkühlung sehr vorteilhaft ist . Dabei kann in j eder der von einem Vorverdichter druckseitig abgehenden Leitungen eine entsprechend ausgelegte Kühlvorrichtung angeordnet sein . Es ist aber auch möglich und von Vorteil eine für größere Volumenströme ausgelegte zentrale Kühlvorrichtung unmittelbar vor der Nachverdichterstation einzubauen, und zwar in die Leitung, die von der zentralen Sammelleitung zu der Nachverdichterstation abzweigt .

Die Kühlung kann dabei vorzugsweise durch eine Zugabe von Wasser und/oder Wasserstof f als Kühlmittel zur Initiierung und Aufrechterhaltung eines Wärmetauschs in der Kühlvorrichtung erfolgen, d . h . das Kühlmittel nimmt Wärme des verdichteten und entsprechend erwärmten Wasserstof fs über eine Wärmetauscher-Oberfläche auf . Auf diese Weise ist eine besonders kostengünstige und technisch einfach realisierbare Kühlung möglich, da sowohl Wasser als auch Wasserstof f in der Elektrolyseanlage als Kühlmittel zur Verfügung stehen .

Die Wasserspeicherkapazität von Wasserstof f H ₂ nimmt mit wachsendem Druck ab, so dass für eine direkte Kühlung, d . h . eine Einspritzkühlung, flüssiges Wasser in das verdichtete Produktgas hinein gedüst werden müsste , welches allerdings auch wieder aufwändig entfernt werden muss . Nach der Verdichtung ist möglichst trockenes Wasserstof f gas H ₂ erwünscht , weshalb bevorzugt eine Kühlung mittels eines Wärmetauschers vorgesehen ist .

Gemäß einer vorteilhaften Aus führung kondensiert dann im Betrieb bei der Kühlung des Produktgases in der Kühlvorrichtung zumindest ein Teil des im Wasserstof f befindlichen Wasserdampfes und das Kondensat kann über eine Leitung dem Elektrolyseur zugeführt und nach einer Reinigung genutzt werden . Eine Nutzung der freiwerdenden Kondensationswärme ist ebenso möglich .

Die nachgeschaltete Kühlvorrichtung dient also nicht nur der Konditionierung der Gastemperatur des Wasserstof fs für die folgende zweite Verdichtungsstufe in der Nachverdichterstation bzw . den folgenden Prozessschritten, sondern ist zusätzlich dafür ausgelegt , dass ein Teil des im Gas befindlichen Wasserdampfes kondensiert . Dieses Kondensat kann erneut verwendet , indem es der Elektrolyseanlage zugeführt wird, z . B . zur Reduzierung des Elektrolysewasserbedarfs . Hierzu kann eine Rückführleitung mit Aufreinigung vorgesehen sein . Vorzugsweise ist in dem Elektrolysesystem eine Kühlvorrichtung zum Kühlen des Produktgases der Nachverdichterstation auf deren Druckseite nachgeschaltet .

Somit ist in dem Elektrolysesystem eine zweistufige Kühlung realisiert mit einer Zwischenkühlung nach den Vorverdichtern zur Gaskonditionierung und einer weiteren Kühlung nach der Nachverdichtung und bedarfsweisen weiteren Zwischenkühlungen in Zwischenstufen der Vor- und Nachverdichtung . Anlagentechnisch ist hierzu in die druckseitig abgehende Leitung der Nachverdichterstation eine Kühlvorrichtung eingebaut , die das auf den Enddruck, beispielsweise 30 bar, verdichtete Wasserstof fgas kühlt . Bei der Kühlung des Wasserstof fs kondensiert zumindest ein Teil des im Gas befindlichen Wasserdampfes und das Kondensat wird bevorzugt über eine Rückführleitung dem Elektrolyseur nach einer Reinigung zugeführt .

In bevorzugter Ausgestaltung des Elektrolysesystem ist daher die Kühlvorrichtung, insbesondere die als Wärmetauscher ausgeführte Kühlvorrichtung, für eine Zugabe von Wasser und/oder Wasserstof f als Kühlmittel über eine Kühlleitung ausgelegt .

Diese Ausgestaltung ist für eine Kühlvorrichtung sowohl für die Zwischenkühlung nach den Vorverdichtern anwendbar, als auch besonders bevorzugt anwendbar nach der Nachverdichtung in der der Nachverdichterstation nachgeschalteten Kühlvorrichtung . Somit geht vorteilhafter die Ausgestaltung mit der zweistufigen Verdichtung auch eine zwei- oder mehrstufigen stufigen Kühlung einher .

Vorzugsweise kann eine Regeleinrichtung vorgesehen sein, an die die Vorverdichter angeschlossen sind, so dass die Vorverdichter auf einen eingangsseitigen Elektrolysedruck regelbar sind . Der Drucksollwert am Eingang der Vorverdichter ist dabei atmosphärischen Druckbereich, also bei einem Sollwert von 1 bar, oder insbesondere zwischen 0 , 9 bar bis 1 , 5 bar eingestellt . Vorzugsweise ist alternativ oder zusätzlich zu der Regeleinrichtung ein als Konstantdruckspeicher ausgelegter Gas zwischenspeicher vorgesehen, der in der Produktgas-Leitung geschaltet und dabei vor der Vorverdichtungseinrichtung, d . h . an deren Saugseite , angeordnet ist . Dies ist eine besonders einfache und robuste Möglichkeit , den Eingangsdruck für die Vorverdichtungseinrichtung konstant zu halten und nachteilige Rückwirkungen zwischen Elektrolyse und Vorverdichter zu vermeiden . Die Vorverdichter können somit mit einem konstanten Druck eingangsseitig beaufschlagt werden .

Im Falle einer Regeleinrichtung ist die Mengenregeleinrichtung bevorzugt derart ausgelegt , dass eine Drehzahl- und Bypass-Regelung durchführbar ist .

Hierbei ist in weiter bevorzugter Ausgestaltung die Regeleinrichtung als eine zweistufige Regeleinrichtung ausgestaltet , die als erste Regelstufe eine führende Leistungsregelung und als zweite Regelstufe eine stabilisierende Druckregelung aufweist , so dass ein geregeltes Zusammenwirken von Elektrolyse und Verdichtung bewirkt ist . Durch eine zweistufige Konstantdruck-Regelung ist ein besonders stabiler Betrieb des Elektrolysesystems ermöglicht im Zusammenwirken mit der zweistufigen Verdichtung .

Weitere Vorteile , Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Aus führungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung . Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den einzigen Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der j eweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen . Aus führungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert . Hierin zeigen schematisch und stark vereinfacht :

FIG 1 in schematischer Darstellung ein Elektrolysesystem, umfassend eine Elektrolyseanlage , einen Gas zwischenspeicher und eine Verdichteranlage ;

FIG 2 ein Elektrolysesystem mit Verdichteranlage , umfassend eine Vorverdichtungseinrichtung und eine Nachverdichterstation;

FIG 3 eine Elektrolysesystem gemäß FIG 2 mit weiteren technischer Ausstattungsmerkmalen .

Gleiche Bezugs zeichen haben in den Figuren die gleiche Bedeutung .

FIG 1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Elektrolysesystem 1 gemäß der Erfindung . Das Elektrolysesystem 1 weist zumindest eine Elektrolyseanlage 3 mit mindestens einem - in FIG 1 nicht näher dargestellten - Elektrolyseur, einen Gaszwischenspeicher 27 sowie eine Verdichteranlage 7 auf , die über eine Produktgas-Leitung 5 strömungstechnisch verbunden sind . Durch die Produktgas-Leitung 5 ist ein Kanal 39 und ein Auslaufkanal 41 gebildet . Der Gas zwischenspeicher 27 ist über den Kanal 39 und den Auslaufkanal 41 strömungstechnisch zwischen die Elektrolyseanlage 3 und die Verdichteranlage 7 geschaltet , so dass das Produktgas Wasserstof f H ₂ aus der Elektrolyse über den Gas zwischenspeicher 27 der Verdichteranlage 7 zuführbar ist . Die Verdichteranlage 7 ist dabei in Strömungsrichtung des erzeugten Wasserstof fs H ₂ stromabwärts an den Gas zwischenspeicher 27 über den Auslaufkanal 41 der angeschlossen . Die Verdichteranlage 7 ist zweistufig ausgestaltet und weist eine Vorverdichtungseinrichtung 9 und eine Nachverdichterstation 13 auf , die aufeinander abgestimmt und entsprechend konfiguriert sind . Dies wird anhand FIG 2 weiter unten aus führlich beschrieben . Zur Drucküberwachung ist in FIG 1 eine Drucküberwachungsvorrichtung 43 in die gas führende Produktgas-Leitung 5 zwischen Elektrolyseanlage 3 und Gas zwischenspeicher 27 geschaltet . Weiterhin ist eine Drucküberwachungsvorrichtung 43 in die gas führende Produktgas-Leitung 5 zwischen Gas zwischenspeicher 27 und der Verdichteranlage 7 geschaltet . Die Elektrolyseanlage 3 kann mit einem Elektrolyseur für eine PEM-Elektrolyse ausgestaltet sein für eine Nie- derdruck-Protonen-Austausch-Elektrolyse , oder auf einer alkalischen Elektrolyse basieren . Eine atmosphärische Elektrolyse erzeugt Wasserstof f und Sauerstof f bei geringen Überdrucken .

Die Elektrolysesystem 1 zeichnet sich durch eine zweistufige Regeleinrichtung 37 aus , die eine erste Regelstufe 37A sowie eine zweite Regelstufe 37B aufweist . Die erste Regelstufe 37A bildet hierbei die führende Leistungsregelung mit einem Leistungssollwert L . Der Leistungssollwert L charakterisiert die in dem Elektrolysesystem 1 die Elektrolyseleitung als führende Größe für den Betrieb der Elektrolyseanlage 3 respektive die Elektrolyseleistung des Elektrolyseurs . Als physikalische Betriebsmessgrößen und Parameter für die erste Regelstufe 37A eignet sich die Elektrolysestromstärke I . Alternative Sollwerte sind beispielsweise durch die Stromdichte im Elektrolyseur oder den Wasserstof f-Produktmassenstrom der Elektrolyse gegeben .

Als zweite Regelstufe 37B ist eine den Elektrolysebetrieb stabilisierende Druckregelung vorgesehen, so dass ein geregeltes Zusammenwirken von Elektrolyseprozess und nachgeschalteter Verdichtung in der zweistufigen Verdichteranlage 7 herbeigeführt ist . In der zweiten Regelstufe 37B ist der Arbeitsdruck als Drucksollwert P vorgegeben, wie er im Gas zwischenspeicher 27 bzw . in dem Kanal 39 und dem Auslaufkanal 41 einzustellen und einzuhalten ist . Typischerweise sind bei der Niederdruck-Protonen-Austausch-Elektrolyse Drucksollwerte P von deutlich kleiner als 10 bar gewünscht , insbesondere zwischen 1 , 0 bis 1 , 5 bar sind bevorzugt , also ein leichter Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck . Für die Niederdruck- Protonen-Austausch-Elektrolyse ist insbesondere ein Druck- sollwert von etwa 1 , 1 bar vorteilhaft . Mit der Druckregelung der zweiten Regelstufe 37B ist ein vorgegebener und möglichst konstant gehaltener Eingangsdruck an der Verdichteranlage 7 einstellbar . Die Vorverdichtungseinrichtung 9 ist an die Regeleinrichtung 37 angeschlossen und entsprechend auf den Drucksollwert P als Eingangsdruck ausgelegt und daraufhin regelbar . Die in der Vorverdichtungseinrichtung 9 eingebrachten Mehrzahl von Vorverdichtern 11 , 11A, 11B - siehe FIG 2 und entsprechende Aus führungen - sind mithin an die Regeleinrichtung 37 angeschlossen . Diese sind j eweils auf den eingangsseitigen Elektrolysedruck mit dem vorgegebenen Drucksollwert P regelbar, wobei für die als Schraubenverdichter ausgeführten Vorverdichter 11 , 11A, 11B eine Drehzahl- und Bypass- Regelung implementiert ist , die zur Anwendung kommt . Im Betrieb des Elektrolysesystems 1 wird eine zuverlässige Konstantdruckregelung in dem Regelkonzept in gewissen Grenzen zusätzlich unterstützt durch den Gas zwischenspeicher 27 , da durch das große Speichervolumen und dessen Veränderung die Kompensation kleiner und kleinster Druckschwankungen im Sekundenbereich in einem Schwankungsbereich Bereich von 10 mbar bis zu einigen 100 mbar um den Drucksollwert von beispielsweise P = 1 , 1 bar erzielbar ist .

Im Betrieb der Elektrolysesystems 1 während der Elektrolyse in der Elektrolyseanlage 3 wird über den Kanal 39 der Produktgas-Leitung 5 mittels einer Gasentnahmeeinheit 45 erzeugter Wasserstof f als Produktgas in das Speicherbehältnis des Gas zwischenspeicher 27 eingeleitet und der in das Speicherbehältnis eingeleitete Wasserstof f mittels einer Druckregelvorrichtung auf einen vorgegebenen Drucksollwert P gebracht und auf dem Drucksollwert P gehalten . Dabei wird der Wasserstof f mit dem Drucksollwert P anschließend der Verdichteranlage 7 zugeführt , und zwar der Vorverdichtungseinrichtung 9 . In der Vorverdichtungseinrichtung 9 wird der Wasserstof f vom Eingangsdruck bei dem Drucksollwert P auf einen vorgegebenen und konstanten Ausgangsdruck zwischen 2 bar und 9 bar, beispielsweise 8 bar vorverdichtet . Dieser Ausgangsdruck wird ebenso möglichst konstant gehalten, was durch die präzise Eingangs- druckregelung in der Regeleinrichtung 37 und ein konstantes Verdichtungsverhältnis der Vorverdichtungseinrichtung 9 erreicht wird . Der Wasserstof f wird schließlich in der Verdichteranlage 7 in einer zweiten Kompressionsstufe des Verdichtungsprozesses auf den gewünschten Enddruck, beispielsweise 30 bar oder ggf . auch darüber hinaus , verdichtet und steht nun für verschiedene Applikationen oder den Weitertransport zur Verfügung .

Regelungstechnisch wird der Elektrolyseprozess und die anschließende Verdichtung von in der Elektrolyse erzeugtem Wasserstof f in einer kombinierten Fahrweise zweistufig geführt . Eine erste Regelstufe 37A für die Elektrolyse bildet die führende Leistungsregelung mit einem Leistungssollwert L für die Elektrolyseleistung, die entsprechend geregelt wird . Als zweite Regelstufe 37B ist eine Druckregelung implementiert mit einem konstanten Drucksollwert P als ggf . wahlweise vorgebbarer Eingangsdruck für die anschließende Verdichtung des Wasserstof fs in der zweistufigen Verdichteranlage 7 mit der Vorverdichtungseinrichtung 9 und der Nachverdichterstation 13 . Dabei wird bei der Druckregelung bei einem erforderlichen Regeleingri f f durch die Druckregelvorrichtung der Druck auf den Drucksollwert P geregelt , indem eine isobare Volumenänderung des Wasserstof fs in dem Gas zwischenspeicher 27 herbeigeführt wird . Ein Soll-/ I st-Vergleich 47 in Bezug auf den vorgegebenen Drucksollwert P kann zusätzlich über eine Stell zustand Z bzw . das proportionale Speichervolumen des Gas zwischenspeichers 27 als Messgröße durchgeführt und die Werte abgeglichen werden, für einen eventuell erforderlichen Regeleingri f f auf den Stell zustand Z für die Einhaltung des Drucksollwerts P .

Bei Bedarf oder für auch für einen sicherheitsrelevanten Abschaltbetrieb ist es möglich den Wasserstof f über ein Abblaseventil 49A aus der Anlage sicher abzublasen, etwa auch beim Stillstand der Elektrolyseanlage 3 zu Servicezwecken . Besonders vorteilhaft erweist sich hier, dass der Gas zwischenspeicher 27 bei einem Stillstand der Elektrolyseanlage 3 so aus- gelegt und betrieben ist , dass der Speicherraum geschlossen wird und in eine Ruheposition im Stillstand gebracht wird . Dadurch wird der Speicherraum des Gas zwischenspeichers 27 für Wasserstof f geschlossen bzw . das Volumen im Speicherraum reduziert - der Wasserstof f wird herausgedrückt . Damit ist kein Wasserstof f-Produktgas mehr im Speicherraum und die Spülmenge an erforderlichem Stickstof f als Spülgas zur Inertisierung wird entsprechend verringert für das Stillstandsmanagement , etwa bei notwendigen Servicearbeiten . Bedarfsweise kann zusätzlich Wasserstof f über die Abblasevorrichtungen 49A, 49B aus dem Elektrolysesystem 1 abgeblasen werden .

In FIG 2 ist ein Elektrolysesystem 1 mit Verdichteranlage 7 gezeigt , anhand derer das Grundkonzept der Erfindung für eine gestufte Verdichtung mit der Vorverdichtungseinrichtung 9 und der Nachverdichterstation 13 nachfolgend weiter ausgeführt wird und wie es insbesondere vorteilhaft für große Elektrolyseleistungen von mehreren 100MW anwendbar ist . FIG 2 zeigt ein Elektrolysesystem 1 mit einer Mehrzahl von Elektrolyseanlagen 3 , 3A, 3B, 3C - beispielhaft vier Anlagen- , die j eweils mindestens einen Elektrolyseur, im Allgemeinen aber mehrere Elektrolyseure , aufweisen . Die Elektrolyseanlagen 3 , 3A, 3B, 3C haben eine Nennleistung von z . B . j eweils 100 MW . Weiterhin weist das Elektrolysesystem 1 eine Verdichteranlage 7 auf , die eine Vorverdichtungseinrichtung 9 und eine zentrale Nachverdichterstation 13 umfasst . Die Vorverdichtungseinrichtung 9 umfasst mehrere Vorverdichter 11 , 11A, 11B - beispielsweise drei Vorverdichter - , die den Elektrolyseanlagen 3 , 3A, 3B, 3C in entsprechender Weise zugeordnet und an diese über eine j eweilige Produktgas-Leitung 5 angeschlossen sind . Hierbei ist die anlagentechnische Verschaltung derart ausgeführt , dass j eder der Vorverdichter 11 , 11A, 11B an j eweils zwei der Elektrolyseanlagen 3 , 3A, 3B, 3C über eine j eweilige Produktgas-Leitung 5 angeschlossen ist . Somit ist j edem der Vorverdichter 11 , 11A, 11B als Produktgas Wasserstof f aus der

Elektrolyse über eine Produktgas-leitung 5 zur Vorverdichtung zuführbar . Die Vorverdichter 11 , 11A, 11B sind j eweils als Schraubenverdichter ausgeführt und in räumlicher Nähe zu den Elektrolyseanlagen 3 , 3A, 3B, 3C angeordnet . Die Schrauben- Verdichter sind auf den annähernd atmosphärischen Eingangsdruck ausgelegt und die Verdichterleistung auf einen Ausgangsdruck von kleiner als 10 bar begrenzt . Schraubenverdichter als Vorverdichter 11 , 11A, 11B zeichnen sich durch eine besonders hohe Verfügbarkeit und die damit verbundene Möglichkeit aus , auf eine redundante Aus führung in der Vorverdichtungseinrichtung 9 verzichten zu können . Die Vorverdichter 11 , 11A, 11B sind ausgangsseitig, also auf deren Druckseite , j eweils an eine zentrale Sammelleitung 15 angeschlossen, so dass im Betrieb vorverdichteter Wasserstof f aus der Vorverdichtungseinrichtung 9 bei einem vorgegebenen Ausgangsdruck von beispielsweise 8 bar in die zentrale Sammelleitung 15 einspeisbar ist . Die Nachverdichterstation 13 ist ebenfalls an die zentrale Sammelleitung mittels einer Anschlussleitung 59 angeschlossen . Somit ist vorverdichteter Wasserstof f auf dem vorgegebenen Ausgangsdruck aus der zentralen Sammelleitung 15 der die Anschlussleitung 59 der Nachverdichterstation 13 zuführbar . Die Nachverdichterstation 13 ist als eine zentrale Nachverdichterstation 13 an der Anschlussleitung 59 ausgestaltet und auf einen Enddruck von mindestens 30 bar ausgelegt . Hierbei kommen Kolbenverdichter zum Einsatz .

Durch die Vorverdichtung in der Vorverdichtungseinrichtung 9 mittels Schraubenverdichtern auf typischerweise größer als 6 bar, beispielsweise 8 bar Ausgangsdruck, können die leistungsbegrenzenden Kolben des unteren Druckbereiches am Kolbenverdichter der Nachverdichterstation 13 entfallen, da bereits ein Vordruck bereitgestellt ist . Dies ermöglicht neben einer erheblichen baulichen Verkleinerung auch eine Förderstromerhöhung der einzelnen Kolbenverdichter . Somit kann die Anzahl der zentral angeordneten Kolbenverdichter in der Kolbenverdichterstation 13 reduziert und eine höhere Flexibilität erreicht werden . Die Anzahl der Kolbenverdichter ist damit im Wesentlichen nur noch durch Redundanzanforderungen definiert , welche j etzt als zentrale Kolbenverdichterstation 13 konzipiert ist und als Baueinheit mit N+ l Kolbenverdichtern und nicht als Baueinheit mit 2N Kolbenverdichtern ausgeführt werden kann . Zur Puf ferung und als druckbeladenes Gasreser- voir ist an die zentrale Sammelleitung 15 ein Druckgasspeicher 17 angeschlossen, der bedarfsweise sowohl über die Sammelleitung 15 als auch druckseitig über die Nachverdichterstation 13 mit Wasserstof f beladbar ist . Hierzu zweigt eine Gas-Rückführleitung 19 von einer druckseitigen Auslassleitung am Ausgang der Nachverdichterstation 13 ab und schließt an den Druckgasspeicher 17 an . In die Rückführleitung 19 ist ein Ventil 51 geschaltet sowie eine Druckminderungseinrichtung 21 eingebaut , so dass ein angepasster Beladungsdruck für den Druckgasspeicher 17 einstellbar ist , der gegenüber dem Enddruck von 30 bar der Nachverdichterstation 13 reduziert ist . Die Druckminderungseinrichtung 21 ist als Expansionsturbine 23 ausgeführt , was eine präzisen Beladungsdruck des Druckgasspeichers 17 ermöglicht . Überdies besteht die Möglichkeit , die bei der Expansion geleistete mechanische Arbeit der Expansionsturbine 23 für weitere Zwecke in dem Elektrolysesystem 1 zu nutzen, etwa zum Antrieb eines Generators . Weiterhin ist die Abkühlung des sich in der Expansionsturbine 23 entspannenden Wasserstof fs energetisch nutzbar, etwa als Kühlleistung in einem Kühlaggregat oder in einem Wärmtauscher . Bei Bedarf ist über den Druckgasspeicher 17 Wasserstof f bei dem vorgegebenen Ausgangsdruck der zentrale Sammelleitung 15 zuführbar . Ein stabiler und unterbrechungs freier Weiterbetrieb ist dadurch möglich für den Fall , dass die Wasserstof fzufuhr aus der Vorverdichtungseinrichtung 9 temporär reduziert oder gar durch eine Störung unterbrochen ist . Hierdurch ist eine Druckhaltung in der zentralen Sammelleitung 15 erreicht und ein stabiles Betriebsverhalten des Kolbenverdichters der Nachverdichterstation 13 sichergestellt . Dadurch ist auch ein Stand-By-Betrieb für die Nachverdichterstation 13 bei Bedarf möglich .

Auch das Anfahrverhalten bei der Inbetriebnahme der Verdichteranlage 7 bzw . einer oder mehrerer der Elektrolyseanlagen 3 , 3A, 3B, 3C in dem Elektrolysesystem 1 wird durch den Wasserstof fvorrat in dem Druckgasspeicher 17 verbessert . Dies kann insbesondere bei den Kolbenverdichtern der Nachverdichterstation 13 von Vorteil sein, da bereits über den Druckgas- Speicher 17 eine hinreichend große Menge an druckbeladenem Wasserstof f bevorratet ist , das unter einem Vordruck in der Sammelleitung 15 einspeisbar ist und dort bedarfsweise bereitgestellt werden kann .

Eine Elektrolysesystem 1 mit gegenüber FIG 2 weiteren technischen Ausstattungsmerkmalen ist in FIG 3 dargestellt . Im grundlegenden Anlagenkonzept entsprechen sich das in FIG 2 und FIG 3 gezeigten Elektrolysesystem 1 : Das Anlagenkonzept zeichnet sich durch eine zweistufige Verdichtung aus , mit einer Mehrzahl von als Schraubenverdichtern ausgestalteten Vorverdichtern 11 , 11A, 11B, denen eine zentrale Nachverdichterstation 13 ausgeführt als Kolbenverdichterstation strömungstechnisch nachgeschaltet ist . Die Kopplung der beiden Verdichtungsstufen erfolgt über die zentrale Sammelleitung 15 und die Anschlussleitung 59 , die an die Nachverdichterstation 13 anschließt zentral anschließt .

Auf Seiten der Elektrolyseanlagen 3 , 3A, 3B, 3C ist in FIG 3 eine Bypass-Leitung 25 vorgesehen, in die ein Gas zwischenspeicher 27 eingeschaltet ist . Das Gas zwischenspeicher 27 ist als Niederdruck-Gasspeicher für Wasserstof f ausgeführt . Die Bypass-Leitung 25 weist eine Anzahl von Abzweigleitungen auf , wobei eine Abzweigleitung an eine j eweilige Produktgas- Leitung 5 eine Elektrolyseanlage 3 , 3A, 3B, 3C angeschlossen ist . Der Anschluss an die Produktgas-Leitung 5 erfolgt in einem Leitungsabschnitt vor dem Eintritt in den entsprechenden zugeordneten Vorverdichter 11 , 11A, 11B . In eine Abzweigleitung ist j eweils ein Umschaltventil 61 eingebaut , so dass ein bidirektionaler Betrieb und Nutzung der Bypass-Leitung 25 erreicht ist . Mithin ist es möglich die Abzweigleitung zum Beladen oder Entladen des zentralen Gas zwischenspeichers 27 mit Wasserstof f zu nutzen . Das Umschaltventil 61 ist bedarfsweise auch vollständig in beide Strömungsrichtungen schließbar, so dass eine Abzweigleitung und der entsprechende Leitungsweg dann wahlweise versperrt ist . Der Gas zwischenspeicher 27 erfüllt eine wichtige Puf ferfunktion bzgl . Druckschwankungen des Elektrolysedrucks . Um die Puf ferfunktion des Gas zwischen- Speichers 27 aus zunutzen ist das Umschaltventil 61 in Richtung der Produktgas-Leitung of fenem Zustand betrieben . Wir in FIG 1 bereits dargetan wird im Betrieb des Elektrolysesystems 1 dadurch eine zuverlässige Konstantdruckregelung in dem Regelkonzept in gewissen Grenzen zusätzlich unterstützt durch den Gas zwischenspeicher 27 , da durch das große Speichervolumen und dessen Veränderung die Kompensation kleiner und kleinster Druckschwankungen im Sekundenbereich in einem Schwankungsbereich Bereich von 10 mbar bis zu einigen 100 mbar um den Drucksollwert von beispielsweise P = 1 , 1 bar erzielbar ist . Somit kann der Eingangsdruck der als Schraubenverdichter sehr ausgeführten Vorverdichter 11 , 11A, 11B auf einem vorgegebenen Soll-Druckwert konstant gehalten werden .

Zusätzlich ist an die Bypass-Leitung 25 eine Gas- Rückführleitung 57 angeschlossen, die von dem Druckgasspeicher 17 abgeht . In die Gas-Rückführleitung 57 ist ein Regelventil 63 eingebaut , so dass ein gegenüber dem Druck im Druckgasspeicher 17 reduzierter Beladungsdruck einstellbar ist . Hierdurch ist verdichteter Wasserstof f aus dem Druckgasspeicher 17 dem Gas zwischenspeicher 27 zuführbar . Insbesondere auch beim Anfahren der Elektrolyseanlagen 3 , 3A, 3B, 3C in dem Elektrolysesystem 1 - also mit noch verminderter Wasserstoffproduktion - kann so bereits Wasserstof f aus dem Gas zwischenspeicher 27 oder aus dem Druckgasspeicher 17 wahlweise ausgekoppelt werden, um die Verdichteranlage 7 bereits in einem günstigen Arbeitspunkt zu fahren und entsprechend mit Wasserstof f ausreichenden Volumenstroms und Drucks zu versorgen . Auch ist ein betriebsbedingter Teillastbetrieb einer Elektrolyseanlage 3 , 3A, 3B, 3C dadurch möglich, ohne die Verdichteranlage 3 nennenswert herunterregeln zu müssen .

Weiterhin ist der Anschlussleitung 59 , die an die zentrale Sammelleitung 15 anschließt , eine Kühlvorrichtung 29 geschaltet , die als Wärmetauscher mit einer Primärseite und eine Sekundärseite ausgeführt ist . Damit wird eine Kühlung des vorverdichteten und dadurch bereits auf eine höhere Temperatur erwärmten Wasserstof fs aus der Vorverdichtern 11 , 11A, 11B erreicht . Die Kühlung erfolgt dabei vorzugsweise durch eine Zugabe von Wasser und/oder Wasserstof f als Kühlmedium, das über eine Kühlleitung 33 zuführbar ist . Auf diese Weise ist eine kostengünstige und technisch einfach realisierbare Kühlung möglich, da sowohl Wasser als auch Wasserstof f in der Elektrolyseanlage verfügbar ist . Eine zweite Kühlvorrichtung 31 ist in die Auslassleitung 55 auf der Druckseite der Nachverdichterstation 13 eingebaut und der Nachverdichterstation 13 nachgeschaltet . Hier kann der schließlich auf einen Enddruck von z . B . 30 bar hochverdichtete und auf über 80 ° C erwärmte Wasserstof f als Produktgas erneut gekühlt werden . Die Kühlung in der Kühlvorrichtung 31 erfolgt dabei durch eine Zugabe von Wasser und/oder Wasserstof f durch eine Kühlleitung 33 . Das Kühlmedium verlässt anschließend die Kühlvorrichtung 31 durch die Leitung 53 . Bei der Kühlung des Wasserstof f- Produktstroms kondensiert zumindest ein Teil des im Gas befindlichen Wasserdampfes und das Kondensat kann über eine Rückführleitung 35 in den Elektrolyseur 3 , 3A, 3B, 3C zurückgeführt werden .

Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich insbesondere durch eine besonders vorteilhaft ausgeführte Umsetzung eines zweistufigen Verdichtungskonzept in einem Elektrolysesystem 1 für große Leistungen über 100 MW . Das Konzept umfasst in vorteilhafter Kombination eine Vorverdichtungseinrichtung 9 , mit bevorzugt als Schraubenverdichter ausgeführten Vorverdichtern 11 , 11A, 11B, sowie mit einer zentralen Nachverdichterstation 13 , die bevorzugt als Kolbenverdichterstation ausgestaltet ist . Das Elektrolysesystem 1 ist damit in seiner besonders ausgestalteten Form für großskalige Elektrolyseanlagen angepasst und einsetzbar . Durch dieses vorteilhafte Anlagenkonzept können sowohl Kosteneinsparungen durch den Wegfall der Niederdruckstufen am vorzugsweisen Kolbenverdichter der Nachverdichterstation 13 als auch durch eine mögliche verringerte Redundanz der bevorzugten Schraubenverdichter erreicht werden . Ein weiterer Vorteil ist die mögliche Leistungserhöhung des Kolbenverdichters durch den höherem Eintrittsdruck durch den bereits in der Vorverdichtungseinrichtung 9 vorverdichte- ten Wasserstof fs . Dadurch ist bei Elektrolyseanlagen großer Leistung auch die Anzahl der Verdichter reduzierbar mit entsprechenden Kostenvorteilen für Errichtung und Betrieb . Darüber hinaus wird ein großer und herkömmlicher Kolbenverdichter mit erheblichen Montageaufwand auf der Baustelle auf einem kompli zierten Fundament - sowohl geometrisch als auch Schwingungstechnisch - zusammengebaut . Schraubenverdichter können als so genannte Skid-basierte Lösung auf die Baustelle verbracht werden und benötigen lediglich ein einfaches Fundament . Wenn bei höherem Druck mit der Nachverdichtung in einem Kolbenverdichter begonnen wird, können auch hier Skid- basierte Aufstellung zum Einsatz kommen , oder wenige große zentrale Verdichtersysteme für sehr große Elektrolysemassen- ströme verwendet werden . Die zu erwartende Aufwandseinsparung ist erheblich .