[0001] Die Erfindung betrifft eine Offshore-Elektrolyseanlage sowie ein Verfahren zum Betrieb
einer Offshore-Elektrolyseanlage.
[0002] Eine Elektrolyseanlage ist eine Vorrichtung, die mit Hilfe von elektrischem Strom
eine Stoffumwandlung herbeiführt (Elektrolyse). Entsprechend der Vielfalt an unterschiedlichen
elektrochemischen Elektrolyseprozessen gibt es auch eine Vielzahl von Elektrolyseanlagen,
wie beispielsweise eine Elektrolyseanlage für eine Wasserelektrolyse.
[0003] Wasserstoff wird heutzutage beispielsweise mittels Proton Exchange Membrane (PEM)-Elektrolyse
oder alkalischer Elektrolyse aus Wasser erzeugt. Die Elektrolyseanlagen produzieren
mit Hilfe elektrischer Energie Wasserstoff und Sauerstoff aus dem zugeführten Wasser.
Dieser Prozess findet in einem Elektrolysestack, zusammengesetzt aus mehreren Elektrolysezellen,
statt. In dem unter DC Spannung stehenden Elektrolysestack wird als Edukt Wasser eingebracht,
wobei nach dem Durchlauf durch die Elektrolysezellen zwei Fluidströme, bestehend aus
Wasser und Gasblasen (O
2 bzw. H
2) austreten.
[0004] Aktuelle Überlegungen gehen dahin, mit überschüssiger Energie aus erneuerbaren Energiequellen
in Zeiten mit viel Sonne und viel Wind, also mit überdurchschnittlicher Solarstrom-
oder Windkrafterzeugung, Wertstoffe zu erzeugen. Ein Wertstoff kann insbesondere Wasserstoff
sein, welcher durch Wasser-Elektrolyseanlagen erzeugt wird. Mittels Wasserstoff kann
beispielsweise sogenanntes EE-Gas hergestellt werden.
Ein EE-Gas ist ein brennbares Gas, welches mit Hilfe elektrischer Energie aus erneuerbaren
Quellen gewonnen wird.
[0005] Wasserstoff stellt dabei einen besonders umweltffreundlichen und nachhaltigen Energieträger
dar. Er hat das einzigartige Potential Energiesysteme, Verkehr und große Teile der
Chemie ohne CO
2-Emissionen zu realisieren. Damit dies gelingt, darf der Wasserstoff allerdings nicht
aus fossilen Quellen stammen, sondern muss mit Hilfe von erneuerbaren Energie produziert
werden.
[0006] Eine Quelle für erneuerbare Energien ist die Windkraft. Insbesondere mit küstennahen,
sogenannten Offshore-Windkraftanlagen lassen sich große elektrische Leistungen realisieren.
Herausforderend ist allerdings, dass eine große Distanz zu den Verbrauchern zu überwinden
ist. Die Energie sollte also möglichst verlustfrei zum Verbraucher transportiert werden.
Als Transportmedium eignet sich sehr gut Wasserstoff. Dieser kann zum Beispiel durch
Pipelines in gasförmiger Form transportiert werden. Ein positiver Nebenaspekt hierbei
ist, dass eine Wasserstoff-führende Pipeline gleichzeitig die Funktion eines Energiespeichers
erfüllen kann, da der innere Druck in gewisssen Grenzen variiert werden kann. Aus
dieser Überlegung heraus ist es von besonderem Interesse, den Wasserstoff direkt am
Ort der Energiegewinnung zu produzieren, also Elektrolyseanlagen Offshore direkt an
Offshore-Windkraftanlagen oder in deren unmittelbarer Nähe zu platzieren.
[0007] Bei Offshore-Elektrolyseanlagen muss ein besonderes Augenmerk auf die Vermeidung
von Korrosion gelegt werden, denn durch das Vorhandensein von Salzwasser können signifikant
höhere Korrosionsraten auftreten, was einen längeren unterbrechungsfreien Betrieb
einer Elektrolyseanlage gefährdet. Prinzipiell kann man Offshore-Elektrolyseanlagen
mit Elektrolyseuren ausstatten, und diese innerhalb von geschlossenen Gehäusen, den
Containern, unterbringen. Dadurch kann ein gewisser Schutz vor den äußeren Umwelteinflüssen
für den Elektrolyseur erzielt werden. Allerdings muss betriebsbedingt der Elektrolyseur
gekühlt werden, um die entstehende Abwärme aus dem Elektrolyseprozess an die Umgebung
abzuführen. Diese Kühlungsanforderung im Betrieb bei Offshore-Elektrolyseanlagen ist
durch die geschlossene Containerbauweise von ganz besonderer Bedeutung, um Überhitzung
und Versagen zu vermeiden. Somit ist bei einer Offshore-Elektrolyseanlage eine Schnittstelle
zwischen Elektrolyseur und der Umgebung letztendlich unvermeidbar, um den Wärmestrom
der Prozesswärme geeignet abzuführen und einen sicheren Betrieb zu ermöglichen. Dabei
sind zugleich Umweltgesichtspunkte im maritimen Bereich beachtlich, insbesondere regulatorische
Vorgaben zum Schutz der maritimen Fauna und Flora.
[0008] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Offshore-Elektrolyseanlage
anzugeben, die einen sicheren und zugleich umweltverträglichen Betrieb ermöglicht.
Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren zum Betrieb einer Offshore-Elektrolyseanlage
anzugeben.
[0009] Die auf eine Offshore-Elektrolyseanlage gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst
durch eine Offshore-Elektrolyseanlage umfassend einen in einem Container angeordneten
Elektrolyseur sowie einen Wärmeübertrager, welcher für die Wärmeaufnahme und Ableitung
von Prozesswärme aus der Elektrolyse in einen geschlossenen Kühlmittelkreislauf aus
dem Container ausgelegt ist.
[0010] Die auf ein Verfahren zum Betrieb einer Offshore-Elektrolyseanlage gerichtete Aufgabe
wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Offshore-Elektrolyseanlage
mit einem in einem Container angeordneten Elektrolyseur, bei dem für die Wärmeaufnahme
und Ableitung von Prozesswärme aus der Elektrolyse aus dem Container Kühlmittel in
einem geschlossenen Kühlmittelkreislauf geführt wird.
[0011] Die in Bezug auf die Offshore-Elektrolyseanlage nachstehend angeführten Vorteile
und bevorzugten Ausgestaltungen lassen sich sinngemäß auf das Verfahren zum Betrieb
der Elektrolyseanlage übertragen.
[0012] Die Erfindung geht hierbei bereits von der Erkenntnis aus, dass die in verstärktem
Maße installierten leistungsstärkeren Offshore-Windenergieanlagen und deren wachsende
elektrische Erzeugungsleistung entsprechend leistungsfähigere Elektrolyseanlagen erfordern.
Es wird daher erwartet, dass die Leistungsklasse einer Offshore-Elektrolyseanlage
und deren Anzahl entsprechend zukünftig stark ansteigen wird. Damit einhergehende,
steigende Anforderungen an den sicheren und umweltverträglichen Betrieb in der maritimen
Umgebung sind zu berücksichtigen. Durch die Skalierungsbemühungen hin zu größeren
Offshore-Elektrolyseanlagen rückt die Frage der Umweltverträglichkeit in den Fokus
der Diskussion. Hierbei ist ein unter Umweltgesichtspunkten möglichst eingriffsarmer
Betrieb zu gewährleisten. Die Lösung der Kühlungsaufgabe für den Betrieb ist daher
von besonderer Bedeutung bei gleichzeitiger Betriebssicherheit und Leistungsfähigkeit
der Offshore-Elektrolyseanlage.
[0013] Die Offshore-Elektrolyseanlage gemäß der Erfindung erkennt und überwindet hier erstmals
die Nachteile herkömmlicher offener Kühlungsansätze für das Kühlmedium. Beispielsweise
ein Konzept, demzufolge das Meerwasser unmittelbar als Kühlungsmedium für einen Wärmetauscher
aus dem Meer herausgepumpt und entnommen wird, und nach der Beaufschlagung mit der
Prozesswärme der Offshore-Elektrolyseanlage und Wärmeübertragung auf das Meerwasser,
dieses unmittelbar wieder ins Meer zurück geleitet wird. Dies erweist sich unter Umweltgesichtspunkten
als sehr nachteilig und überdies wartungsintensiv.
[0014] Andere Konzepte der Kühlung mittels Umgebungsluft bedürfen großer Wärmeaustauschflächen
mit der Atmosphäre und umfangreicher Ventilatorsysteme bzw. Gebläse zur Kühlluftzufuhr,
um die erforderliche Kühlleistung zu erreichen. Solche Systeme im Offshore-Einsatz
sind durch die unmittelbare Exposition mit salzhaltigen Aerosolen im maritimen Bereich
sehr anfällig für Versagen durch Korrosion und erfordern einen erheblichen Wartungsaufwand.
[0015] Mit der Erfindung werden diese Nachteile überwunden und ein sicherer und umweltverträglicher
Betrieb einer Offshore-Elektrolyseanlage in Containerbauweise mit einem in dem Container
angeordneten Elektrolyseur, beispielsweise ein PEM-Elektrolyseur zur Wasserstofferzeugung,
ermöglicht. Mit dem geschlossenen Kühlkreislauf ist die Wärmeaufnahme der Prozesswärme
aus der Elektrolyse an der Anlage über den Wärmeübertrager erreicht. Sowohl eine Verwendung
durch Ansaugen von Meerwasser und dessen Umwälzung zu Kühlungszwecken als auch die
erhebliche Korrosionsproblematik bei der Luftkühlung beim offenen Kühlungsbetrieb
auf See ist vermieden. Die Erfindung beschreitet hier einen anderen Weg als die herkömmlichen
Offshore-Anlagen.
[0016] Insbesondere dadurch, dass kein Seewasser angesaugt wird und stattdessen ein geschlossener
Kühlmittelkreislauf vorliegt, werden die oben geschilderten Probleme vermieden. Es
können keine Fremdkörper angesaugt werden, im Inneren des Wärmeübertragers können
sich keine unerwünschten anorganische Schichten oder Biofouling bilden, was die Betriebssicherheit
erhöht. Insbesondere wird kein erwärmtes Wasser an die Umgebung abgeführt. Ein weiterer
Vorteil ist, dass beispielsweise neben (Süß-)Wasser auch andere besonders geeignete
Kühlmedien bzw. Additive im geschlossenen Kühlkreislauf eingesetzt werden können,
die dann die benötigte Wärmeübertragungsleistung bzw. Auslegung der erforderlichen
Oberflächen für die Wärmeaufnahme der Prozesswärme aus dem Container bei einem hohen
Temperaturniveau, deren Ableitung und schließlich Übertragung an eine geeignete Wärmesenke
deutlich reduzieren kann.
[0017] In vorteilhafter Ausgestaltung der Offshore-Elektrolyseanlage ist in dem Kühlmittelkreislauf
eine Kühlmittelpumpe zur Förderung des Kühlmittels angeordnet. Die Kühlmittelpumpe
ist entsprechend der Kühlungsleistung ausgelegt. Die Kühlmittelpumpe ist zum Schutz
vor Witterungseinflüssen bevorzugt in dem Container untergebracht in der Nähe des
zu kühlenden Elektrolyseurs der Offshore-Elektrolyseanlage. Prinzipiell ist aber auch
eine Verschaltung der Kühlmittelpumpe außerhalb des Containers möglich.
[0018] Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist in dem geschlossenen Kühlmittelkreislauf
für die Wärmeabgabe der durch das Kühlmittel aufgenommenen Prozesswärme ein großflächiger
Wärmeübertrager vorgesehen, der in das Meer eintauchbar ist. Durch die Integration
eines großflächigen Wärmeübertragers in den geschlossenen Kühlkreislauf ist eine besonders
effektive Ankopplung an die gewählte Wärmesenke, das Meerwasser, erreicht und durch
die Eintauchbarkeit ein Wärmeübertrag der abgeführten Prozesswärme von dem großflächigen
Wärmeübertrager an das Meerwasser erreicht. Von besonderem Vorteil erweist sich hierbei
der vom Meerwasser unabhängige Kühlmittelkreislauf mit dem Kühlmedium.
[0019] Die Erfindung sieht somit die Nutzung von Seewasser als Wärmesenke in nahezu großem
Reservoir vor Kühlmedium vor, wobei mit einem geschlossenen Kühlkreislauf lediglich
die Wärme durch den in das Meer eingetauchten Wärmeübertrager abgegeben wird. Hiermit
sind große Kühlleistungen für die Elektrolyse realisierbar und große Wärmeströme aus
leistungsstarken Offshore-Elektrolyseuren über das Kühlmittel an das Meerwasser übertragbar.
Der Eingriff dieser Konstruktion unter Umweltgesichtspunkten ist gering, insbesondere
da eine stoffliche Entkoppelung von Kühlmittel und Meerwasser vorgesehen ist. Für
die Eintauchbarkeit des Wärmeübertragers in das Meerwasser sind geeignet konfektionierte
Schwenkeinrichtungen und/oder Hebezeuge an der Offshore-Elektrolyseanlage vorgesehen,
die entsprechende Bewegungen des Wärmeübertragers wie Eintauchen oder Herausheben
ermöglichen.
[0020] Durch eine entsprechende wärmetechnische Auslegung kann vorteilhafterweise die im
allgemeinen relativ große Austauschoberfläche für den großflächigen Wärmeübertrager
auf die notwendige Kühlungsleistung hin dimensioniert und konstruktiv ausgeführt sein.
Es ist gegenüber den offenen Kühlkonzepten nicht mehr nötig, das Meerwasser über Pumpen
zu entnehmen, aktiv an die Wasseroberfläche zu fördern und unmittelbar für die Kühlungsaufgabe
der Offshore-Elektrolyseanlage zuzuführen. Stattdessen wird die Wärmeabfuhr lediglich
mittelbar über den großflächigen Wärmeübertrager über Konvektion im Seewasser durchgeführt.
[0021] Vorteilhafterweise weist zur Bereitstellung einer großen Wärmeübertragungsfläche
der großflächige Wärmeübertrager eine Rohrleitung auf, die an der kühlmittelführenden
Rohraußenfläche mit Rippen und/oder Finnen ausgestaltet ist und/oder in einer Vielzahl
von Rohrbögen geführt ist.
[0022] Diese kontruktive Maßnahmen mit einer Rohrleitung oder Rohrleitungsbündel werden
ergriffen, um die Oberfläche für den effizienten Wärmeübertrag zu erhöhen. Hier kommen
verschiedene Möglichkeiten in Betracht, wie beispielsweise dass der Wärmeübertrager
als mäanderförmiges und/oder mit Finnen versehenes Rohr ausgeführt sein kann. Weiterhin
kann, wie etwa bei einem Rohrbündel-Wärmeübertrager, der Volumenstrom des Kühlmittels
auf mehrere parallele Rohrleitungen aufgeteilt werden, um so eine größere Wärmeaustauschfläche
zu erhalten.
[0023] In vorteilhafter Ausgestaltung ist die Rohrleitung, insbesondere das Rohrleitungsbündel,
aus Stahl vorzugsweise ein korrosionsfester Edelstahl ausgeführt. Weiter vorteilhaft
weist hierzu die Rohrleitung, insbesondere das Rohrleitungsbündel, an der Außenfläche
eine Korrosionsschutzschicht auf.
[0024] Grundsätzlich kann der im Meerwasser eintauchende großflächige Wärmeübertrager aus
Stahl ausgeführt sein. Ähnlich wie bei Schiffen sollten hierbei aber vorzugsweise
Maßnahmen ergriffen werden, die einer Korrosion entgegenwirken, wie zum Beispiel ein
kathodischer Korrosionsschutz oder die Verwendung einer Opferanode. Einfache Schutzanstriche
hingegen könnten den gewünschten Wärmeübertrag vermindern und sind somit eher nicht
zu empfehlen, es sei denn der Schutzanstrich ist jedenfalls hinsichtlich des Einflusses
auf den zu erzielenden Wärmeübertrag angepasst und geeignet. So können vorteilhafterweise
hinreichend dünne Beschichtungen gegen das so genannte Fouling eingesetzt werden,
die den Wärmeübergang nicht merklich behindern. Diese "Fouling" genannte Verschmutzung
von Wärmetauschern und Wärmeübertragern und die daraus resultierende Reinigung stellen
immer wieder eine Herausforderung für den Betrieb dar. Verantwortlich für die unterschiedlichen
Ablagerungen sind Wasser mit hohem Salzgehalt, hohe Temperaturen und Verschmutzungen
im Wasser. Sie behindern beides, sowohl die Heiz- als auch die Kühlleistung eines
Wärmetauschers. Je fester und dicker die Ablagerungen werden, desto schlechter wird
die Wärmeübertragung.
[0025] In besonders vorteilhafter Ausgestaltung weist die Korrosionsschutzschicht Titan
auf. Sie kann auch aus Titan ausgeführt sein. Auch ist es in bevorzugter Ausgestaltung
möglich, für den großflächigen Wärmeübertrager insgesamt Rohrleitungen aus Titan zu
verwenden.
[0026] Bei der Verwendung von Titan als Material für den großflächigen Wärmeübertrager kann
auf solche zusätzlichen Korrosionsschutzschichten oder Anti-Fouling Anstriche verzichtet
werden und diese Art der Ausgestaltung ist daher besonders vorteilhaft. Titan zeigt
eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit gegenüber Seewasser. Bei der Verwendung von
Titanrohren ist es bevorzugt einen elektrischen Kontakt zu Stahlkomponenten durch
geeignete Isolatoren zur Trennung der Materialien zu vermeiden. Andernfalls bestünde
das Potential, dass sich sogenannte Lokalelemente bilden, welche Korrosionserscheinungen
hervorrufen können. Lokalelemente sind im allgemeinen kleinflächige Korrosionselemente
(oder Kontaktelemente), die mit bloßem Auge kaum zu erkennen sind. Lokalelemente können
an Berührungsstellen von zwei verschiedenen Metallen durch Einwirkung von Feuchtigkeit,
zum Beispiel hervorgerufen durch Aerosole, entstehen und dort oft erhebliche Korrosion
verursachen.
[0027] In vorteilhafter Ausgestaltung ist der großflächige Wärmeübertrager in einem Gestell
angeordnet, das den Wärmeübertrager umfasst und den Wärmeübertrager für den jeweiligen
Betriebszustand über Befestigungen in Position hält.
[0028] Die Unterbringung und Befestigung des Wärmeübertragers in einem Gestell vereinfacht
das Eintauchen des Wärmeübertragers in das Meerwasser erheblich. Auch wird dessen
Manipulation bzw. Handhabung für verschiedene Betriebszustände sehr erleichtert. Hierdurch
ist ein modularer Aufbau realisiert mit einem Modul, umfassend den Wärmeübertrager
und das Gestell als Baueinheit sowie Hilfsanbauten, wie etwa Anschlüsse oder Flanschverbindungen
für die Rohrleitungen zum Anschluss an den Container der Offshore-Elektrolyseanlage.
[0029] Der in das Meerwasser eintauchbare Wärmeübertrager ist dabei in dem Gestell untergebracht,
das vorzugsweise die Abmessungen eines Standard-Containers der Logistikbranche aufweist.
So ist es besonders einfach möglich den Wärmetaucher zu transportieren und bei Bedarf
nach einer bestimmten Betriebszeit auszutauschen, was für Wartungs- und Servicezwecke
von Vorteil ist.
[0030] Vorzugsweise ist daher das Gestell mit dem großflächigen Wärmeübertrager derart befestigt,
dass bedarfsweise ein Herausführen oder Herauskippen aus dem Meerwasser bewirkbar
ist.
[0031] Vorzugsweise ist das Gestell mit dem großflächigen Wärmeübertrager über eine drehbare
Befestigung herauskippbar.
[0032] Es ist besonders zweckmäßig und von Vorteil den in das Meerwasser eintauchenden großfächigen
Wärmeübertrager derart konstruktiv auszuführen, dass er mit einfachen Mitteln, zum
Beispiel mit Hilfe einer Seilwinde, aus dem Wasser "herausgeklappt" oder herausgekippt
werden kann. Dies kann vorzugsweise durch eine drehbare oder dreh-/kippbare Befestigungseinrichtung
an dem Gestell realisiert sein.
[0033] Die Möglichkeit, den großflächigen Wärmeübertrager aus dem Meerwasser herauszuklappen,
ist eine besonders vorteilhafte konstruktive Weiterbildung, insbesondere speziell
bei den Anforderungen im Offshore-Bereich für eine Offshore-Elektrolyseanlage. Es
sind alternative Rohrführungen für den Wärmeübertrager denkbar, die ohne das Entfernen
von Rohrstücken für das Herausklappen des Wärmeübertragers auskommen. So kann etwa
über die drehbare Befestigung das Gestell umfassend den Wärmeübertrager gekippt werden.
Mit einer entsprechenden Flanschverbindung jeweils für den Vorlauf und den Rücklauf,
die exakt auf der entsprechenden Drehachse angebracht und ausgerichtet sind, braucht
für ein Herausklappen lediglich nur der Flansch geöffnet und mit Blindscheiben versehen
werden. Es ist auch im Sinne der Erfindung flexible Schläuche oder Faltenbalgsysteme
oder Konbinationen aus diesen Leitungselementen als Verbindung zum Container mit dem
Elektrolyseur verwendbar, um ein Hochklappen oder Herauskippen zu ermöglichen, ohne
dass eine Rohrleitung gelöst, aufgetrennt oder verschlossen werden muss. Solche Schläuche
können je nach Temperaturniveau des Kühlmittels im Vorlauf und im Rücklauf des Kühlmittelkreislaufs
auch aus geeignetem Kunststoff gefertigt sein.
[0034] Die Offshore-Elektrolyseanlage ist in besonders vorteilhafter Ausgestaltung mit einer
Anschlusseinheit zur Einspeisung von elektrischem Strom aus einer Offshore-Windturbine
ausgeführt.
[0035] Dadurch kann bei einer Offshore-Windanlage überschüssiger Strom direkt auf See zur
Wasserstoffproduktion genutzt werden, indem der Strom über die Anschlusseinheit der
Offshore-Elektrolyseanlage zugeführt wird.
[0036] Besonders vorteilhaft ist diese Kombination von erneuerbaren Energien und Wasserstoffproduktion
bei Offshore-Windparks und anderen in entlegenen Gebieten liegenden Windkraft-Anlagen.
Denn bisher leidet der verstärkte Ausbau der erneuerbaren Energien auch an der fehlenden
Netz-Infrastruktur. In Deutschland beispielsweise fehlen Stromtrassen, um den Windstrom
vom Meer ins Inland und weiter nach Süddeutschland zu bringen. Hier kann eine Offshore-Elektrolyseanlage
helfen. Mit ihr ließe sich der auf See generierte Strom künftig direkt vor Ort zur
Spaltung von Meerwasser nutzen.
[0037] In bevorzugter Ausgestaltung ist daher die Offshore-Elektrolyseanlage gemäß der Erfindung
auf einer Offshore-Plattform im Meer installiert. Als Basis für eine solche Windkraft-Elektrolyse
könnten beispielsweise ausgediente Öl- oder Gasplattformen dienen, wie sie unter anderem
in der Nordsee reichlich vorhanden sind. Der dort erzeugte Wasserstoff ließe sich
dann bequem über die vorhandenen Erdgaspipelines zu Kraftwerken an Land leiten.
[0038] Bei dem Verfahren zum Betrieb einer Offshore-Elektrolyseanlage mit einem in einem
Container angeordneten Elektrolyseur wird für die Wärmeaufnahme und Ableitung von
Prozesswärme aus der Elektrolyse aus dem Container ein Kühlmittel in einem geschlossenen
Kühlmittelkreislauf geführt.
[0039] Hierbei wird in besonders vorteilhafterweise Ausführung des Verfahrens in dem geschlossenen
Kühlmittelkreislauf von dem durch die Prozesswärme erwärmten Kühlmittel, Wärme auf
Meerwasser übertragen und das Kühlmittel dadurch abkühlt.
[0040] Vorzugsweise wird ein schädigendes Eindringen von Meerwasser in den Kühlmittelkreiskreislauf
überwacht. Hierzu kann ein entsprechender Sensor zum Detektieren von Leckagen im Kühlmittelkreislauf
zur Anwendung kommen und eingesetzt werden. Vorzugsweise wird eine Messung der elektrischen
Leitfähigkeit durchgeführt unter Verwendung eines Leitfähigkeitssensors, der entsprechend
sensitiv auf einen meerwasserbedingten Salzgehalt reagiert, so dass ein unerwünschtes
Eindringen von Meerwasser angezeigt wird und entsprechende Gegenmaßnahmen getroffen
werden können.
[0041] Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Hierin zeigen schematisch und stark vereinfacht:
- FIG 1
- eine Elektrolyseanlage mit Luftkühlung;
- FIG 2
- eine Offshore-Elektrolyseanlage mit Verwendung von Meerwasser als Kühlmittel;
- FIG 3
- ein Ausführungsbeispiel einer Offshore-Elektrolyseanlage gemäß der Erfindung;
- FIG 4
- ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Offshore-Elektrolyseanlage gemäß der Erfindung.
[0042] Gleiche Bezugszeichen habe in den Figuren die gleiche Bedeutung.
[0043] In Figur 1 ist eine Elektrolyseanlage (1a) dargestellt, bei der in einem Container
(2) oder anderweitigem Gehäuse ein nicht näher gezeigter Elektrolyseur, beispielsweise
ein PEM- oder Alkali-Elektrolyseur, angeordnet ist. Der Elektrolyseur ist für die
Erzeugung von Wasserstoff als Produkt aus der Elektrolyse von Wasser als Edukt ausgelegt.
Zur Kühlung und Wärmeabfuhr der Prozesswärme während des Betriebs des Elektrolyseurs
weist die Elektrolyseanlage (1a) einen Luftkühler (6) auf. Ein Kühlmittelkreislauf
(3) sorgt für die Umwälzung eines Kühlmittels, wobei ein zu kühlendes Medium durch
einen Wärmeübertrager (4) mit entsprechend großen Wärmeaustauschoberflächen zur Atmosphäre
geführt wird. Eine Kühlmittelpumpe (5) fördert das Kühlmittel. Für einen Einsatz der
Elektrolyseanlage (1a) im Offshore-Bereich auf dem Meer, ist diese Konfiguration nachteilig
und daher für die Offshore-Anwendung nicht zu empfehlen. Da durch Wind und Wetter
das Meerwasser in Form von salzhaltigen Aerosolen verbreitet wird, wären die Wärmetauscher-Oberflächen
und die dazugehörigen außen liegenden Ventilatoren der Elektrolyseanlage (1a) einem
sehr aggressiven Umfeld ausgesetzt. Hohe Korrosionsraten sind hier zu erwarten, was
den sicheren Betrieb der Elektrolyseanlage (1a) beeinträchtigt und zu geringen Standzeiten
bei hohem Wartungsaufwand bei einem Offshore-Betrieb führen würde.
[0044] In Figur 2 ist eine Offshore-Elektrolyseanlage (1b) dargestellt, bei der in einem
Container (2) ein nicht näher gezeigter Elektrolyseur, beispielsweise ein PEM- oder
Alkali-Elektrolyseur, angeordnet ist. Die Offshore-Elektrolyseanlage (1b) ist auf
einer Tragstruktur (10), einer Offshore-Plattform angeordnet, die sich über dem Meeresspiegel
(11) befindet und auf dem Meeresboden verankert ist. In dem Container (2) ist ein
nicht näher dargestellter Elektrolyseur, eine Kühlmittelpumpe (5) und ein Wärmeübertrager
(4) vorgesehen. Als Kühlmittel wird Meerwasser verwendet und zu Kühlungszwecken zu
dem Wärmeübertrager (4) mittels der Kühlmittelpumpe (5) aus dem Meer hochgepumpt.
Als Zufuhr für das Meerwasser ist ein Ansaugstutzen (12) unter Wasser in der zu dem
Wärmeübertrager (4) hinführenden Saugleitung vorgesehen, in die die Kühlmittelpumpe
(5) eingebaut ist. Letztere muss aufgrund der Höhendifferenz entsprechend leistungsfähig
ausgestaltet sein. Soll die Kühlmittelpumpe (5), wie in Figur 2 gezeigt, innerhalb
des Containers (2) angeordnet sein, kann bei einer zu großen Höhendifferenz sogar
der Fall eintreten, dass der Dampfdruck des Meerwassers limitierend wirkt und Kavitation
eintritt. In diesem Fall wäre es selbst mit den stärksten Pumpen nicht möglich das
Meerwasser anzusaugen, was für einen effizienten Kühlbetrieb sehr nachteilig ist.
Alternativ müsste die Pumpe näher an der Wasseroberfläche platziert sein, wo sie möglicherweise
den Umwelteinflüssen stärken ausgesetzt und auch der Zugang für Wartung und Reparatur
erschwert wäre. Zur Rückführung des Meerwassers nach der Wärmeaufnahme in dem Wärmeübertrager
(4) ist stromabseitig von dem Wärmetauscher (5) die Rückführleitung (13) angeschlossen.
Die Rückführleitung (13) taucht unter den Meeresspiegel (11) und führt das erwärmte
Meerwasser wieder zurück. Hierdurch ist bei der Offshore-Elektrolyseanlage (1b) ein
offenes Kühlkonzept realisiert, die auf Meerwasser als Kühlmittel zurückgreift und
nicht nur unter Umweltaspekten im maritimen Bereich nachteilig ist, sondern auch hinsichtlich
der Betriebssicherheit bzw. Standzeiten, was nachfolgend anhand einiger ausgewählter
Aspekte erläutert wird:
[0045] Im Betrieb des Elektrolyseurs wird Meerwasser durch den unter dem Meeresspiegel 11
liegende Ansaugstutzen 12 mit Hilfe der leistungsfähigen Kühlmittelpume 5 angesaugt
und durch den Wärmeübertrager (4) gefördert. Auf der Gegenseite des Wärmeübertragers
(4) wird das zu entwärmende Medium des Elektrolyseurs geleitet (in Figur 2 nicht gezeigt),
so dass die Wärme unmittelbar auf das Meerwasser als Kühlmittel übertragen wird. Das
erwärmte Meerwasser wird wieder in das Meer über die Rückführleitung (13) durch eine
Auslassöffnung zurückgeführt. Dieses Kühlkonzept bringt Nachteile mit sich. Um Blockaden
oder Defekte an der Kühlmittelpumpe (5) zu vermeiden, muss sichergestellt werden,
dass keine größeren Fremdkörper oder gar Meereslebewesen angesaugt werden. Dies kann
mit aufwendigen Filtersystemen erfolgen, wobei sich diese mit der Zeit zusetzen können
und deshalb regelmäßig gereinigt werden müssen. Dies ruft einen signifikanten Arbeitsaufwand,
verbunden mit hohen Wartungs- und Instandhaltungskosten, hervor und bedingt häufige
Arbeiten vor Ort. Weiterhin bilden sich selbst mit feinsten Filtern störende Schichten
"Scaling" im Inneren der Kühlmittel führenden Leitungen und des Wärmeübertragers (4)
aus. Diese Schichten können sogenanntes Biofouling sein, wobei sich aber auch anorganische
Schichten bilden. Anorganische Ablagerungen treten insbesondere wegen einer ungünstigen
Temperaturabhängigkeit der Löslichkeit von Calcit auf. Calcit bildet sich bevorzugt
an wärmeren Stellen, also im Inneren des Wärmeübertragers (4), wo solche Schichten
besonders störend sind und eine Reinigung wegen der schlechten Zugänglichkeit nur
schwer oder gar nicht möglich ist.
[0046] Weiterhin kann es Vorgaben und Regularien geben, die zum Schutz von Flora und Fauna
ein Rückführen von größeren Mengen erwärmtem Wasser in das Meer verbieten. Insbesondere
bei Elektrolyseuren mit großer Leistung könnten solche Vorgaben einen Betrieb erheblich
limitieren.
[0047] In Figur 3 ist eine Offshore-Elektrolyseanlage (20) gemäß der Erfindung dargestellt.
Diese Elektrolyseanlage (20) überwindet insbesondere die Nachteile der in den vorstehenden
Figur 1 und Figur 2 beschriebenen Ausführungen. Demgemäß zeigt die Offshore-Elektrolyseanlage
(20) einen Container (2), in dem ein nicht näher gezeigter Elektrolyseur, beispielsweise
ein PEM- oder Alkali-Elektrolyseur, angeordnet ist. Die Offshore-Elektrolyseanlage
(20) ist auf einer Tragstruktur (10), einer Offshore-Plattform angeordnet und für
Offshore-Anwendung konzipiert. In dem Container (2) ist eine Kühlmittelpumpe (5) und
ein Wärmeübertrager (4), insbesondere ein Wärmetauscher, angeordnet. Es ist ein geschlossener
Kühlmittelkreislauf (3) realisiert, wobei ein großflächiger Wärmeübertrager (21) vorliegend
über abnehmbare Rohrleitungen (23) in den Kühlmittelkreislauf (3) strömungsdicht einbaubar
ist, so dass im Betrieb ein Kühlmittel durch die Kühlmittelpumpe (5) in einem geschlossenen
Kühlmittelkreislauf (3) führbar ist. Der großflächige Wärmeübertrager (21) ist in
einem Gestell (22) angeordnet, befestigt und entsprechend betriebsfertig positioniert.
Die Baueinheit aus Gestell (22) und großflächigem Wärmeübertrager (21) ist mittels
Befestigungselementen (24a, 24b) an der Tragstruktur (10) lösbar befestigt. Dabei
taucht der großflächige Wärmeübertrager (21) unter den Meeresspiegel (11). Der großflächige
Wärmeübertrager (21) in dem Gestell (22) ist derart angeordnet, dass das Gestell (22)
den Wärmeübertrager (21) umfasst und den Wärmeübertrager (21) für den jeweiligen Betriebszustand
über die Befestigungen (24a, 24b) in Position hält. Somit ist die Betriebsposition
des großflächigen Wärmeübertragers (21) mit Eintauchen in das Meerwasser oder auch
Inspektions- oder Wartungspositionen flexibel einstellbar.
[0048] Durch das Meerwasser ist eine besonders effiziente und Wärmesenke realisiert, so
dass Prozesswärme aus der Elektrolyse aus dem Container (3) ableitbar und dem Meerwasser
lediglich über Konvektion zuführbar ist. Durch den geschlossenen Kühlmittelkreislauf
(3) findet kein schädigender Stoffaustausch zwischen dem im Kreislauf umgewälzten
Kühlmittel und dem Meerwasser statt. Diese Bereiche sind strömungstechnisch voneinander
getrennt.
[0049] Zur Bereitstellung einer entsprechend großen Wärmeübertragungsfläche und Wärmeübertragungseffizienz
weist der Wärmeübertrager (21) eine Rohrleitung auf, die an der kühlmittelführenden
Rohraußenfläche mit Rippen und/oder Finnen ausgestaltet ist und/oder in einer Vielzahl
von Rohrbögen geführt ist. Diese spezifische und besonders vorteilhafte Ausgestaltung
ist in Figur 2 aus Übersichtlichkeitsgründen nicht näher illustriert. Die Rohrleitung
ist aus Stahl ausgeführt und weist an der Außenfläche eine Korrosionsschutzschicht
auf.
[0050] Die Erfindung sieht somit die Nutzung von Seewasser als Wärmesenke in nahezu großem
Reservoir als Kühlmedium vor, wobei mit einem geschlossenen Kühlmittelkreislauf (3)
lediglich die Wärme durch den in das Meer eingetauchten Wärmeübertrager (21) abgegeben
wird. Hiermit sind große Kühlleistungen für die Offshore-Elektrolyse realisierbar
und große Wärmeströme aus leistungsstarken Offshore-Elektrolyseuren über das Kühlmittel
an das Meerwasser übertragbar. Der Eingriff dieser Konstruktion unter Umweltgesichtspunkten
ist gering, insbesondere da eine stoffliche Entkoppelung von Kühlmittel und Meerwasser
vorgesehen ist. Insbesondere dadurch, dass kein Seewasser angesaugt wird und stattdessen
ein geschlossener Kühlmittelkreislauf (3) vorliegt, werden die zahlreiche im Betrieb
geschilderten Probleme vermieden. Es können keine Fremdkörper angesaugt werden, im
Inneren des Wärmeübertragers können sich keine unerwünschten anorganischen Schichten
oder Biofouling bilden, was die Betriebssicherheit erhöht. Für die Eintauchbarkeit
des Wärmeübertragers (21) in das Meerwasser sind geeignet konfektionierte Schwenkeinrichtungen
und/oder Hebewerkzeuge oder Seilwinden an der Offshore-Elektrolyseanlage vorgesehen,
die entsprechende Bewegungen des Wärmeübertragers wie Eintauchen oder Herausheben
ermöglichen. Es ist somit möglich, bei Bedarf nach einer bestimmten Betriebszeit der
Offshore-Elektrolyseanlage (20), den Wärmeübertrager (21) auszutauschen oder einer
Wartung zu unterziehen.
[0051] In Figur 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel in besonders vorteilhafter Ausgestaltung
einer Offshore-Elektrolyseanlage (20) gemäß der Erfindung gezeigt. Gegenüber des Ausführungsbeispiels
in Figur 3 ist hierbei das Gestell (22) mit dem Wärmeübertrager (21) derart befestigt,
dass bedarfsweise ein Herausführen, ein Herauskippen oder ein Herausklappen aus dem
Meerwasser bewirkbar ist. Hierzu ist eine drehbare Befestigung (24a) der Baueinheit,
umfassend das Gestell (22) mit dem großflächigen Wärmeübertrager (21) an der Struktur
(10), vorgesehen. Durch diese vorteilhafte Weiterbildung wird die Möglichkeit eröffnet,
den Wärmeübertrager (21) bedarfsweise aus dem Meerwasser flexibel über einen Drehmechanismus
herauszuklappen, was die Handhabung erheblich erleichtert. Es sind dabei alternative
Rohrführungen für den Wärmeübertrager möglich, die ohne das Entfernen der abnehmbaren
Rohrstücke 23 - entsprechend dem Ausführungsbeispiel in Figur 3 - auskommen.
[0052] Die Offshore-Elektrolyseanlage gemäß Figur 3 und Figur 4 ist mit einer - nicht näher
gezeigten - Anschlusseinheit zur Einspeisung von elektrischem Strom aus einer Offshore-Windturbine
ausgestattet.
[0053] Beim Betrieb der Offshore-Elektrolyseanlage (20) zur Wasserstoffproduktion wird der
in dem Container (2) angeordnete Elektrolyseur gekühlt, um die Prozesswärme abzuführen.
Hierbei wird für die Wärmeaufnahme und Ableitung der Prozesswärme aus der Elektrolyse
aus dem Container (2) das Kühlmittel in einem geschlossenen Kühlmittelkreislauf (3)
geführt und der Container (2) mit seinen Einbauten, insbesondere der Elektrolyseur,
effektiv gekühlt. Hierbei wird in dem geschlossenen Kühlmittelkreislauf (3) von dem
durch die Prozesswärme aus der Elektrolyse erwärmten Kühlmittel, Wärme auf Meerwasser
übertragen und das Kühlmittel dadurch abgekühlt. Ein schädigendes Eindringen von Meerwasser
in den Kühlmittelkreislauf (3) oder sonstige unerwünschte Leckagen in dem Kühlmittelkreislauf
werden überwacht.
1. Offshore-Elektrolyseanlage (20) umfassend einen in einem Container (2) angeordneten
Elektrolyseur sowie einen Wärmeübertrager (4), welcher für die Wärmeaufnahme und Ableitung
von Prozesswärme aus der Elektrolyse in einen geschlossenen Kühlmittelkreislauf (3)
aus dem Container (2) ausgelegt ist.
2. Offshore-Elektrolyseanlage (20) nach Anspruch 1, eine Kühlmittelpumpe (5) zur Förderung
des Kühlmittels (4) in dem Kühlmittelkreislauf (3) angeordnet ist.
3. Offshore-Elektrolyseanlage (20) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kühlmittelpumpe
(5) in dem Container (2) angeordnet ist.
4. Offshore-Elektrolyseanlage (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der in
dem geschlossenen Kühlmittelkreislauf (3) für die Wärmeabgabe der durch das Kühlmittel
(4) aufgenommenen Prozesswärme ein großflächiger Wärmeübertrager (21) vorgesehen ist,
der in das Meer eintauchbar ist.
5. Offshore-Elektrolyseanlage (20) nach Anspruch 4, bei dem zur Bereitstellung einer
großen Wärmeübertragungsfläche der Wärmeübertrager (21) eine Rohrleitung aufweist,
die an der kühlmittelführenden Rohraußenfläche mit Rippen und/oder Finnen ausgestaltet
ist und/oder in einer Vielzahl von Rohrbögen geführt ist.
6. Offshore-Elektrolyseanlage (20) nach Anspruch 5, bei dem die Rohrleitung aus Stahl
ausgeführt ist, wobei die Rohrleitung an der Außenfläche eine Korrosionsschutzschicht
aufweist.
7. Offshore-Elektrolyseanlage (20) nach Anspruch 6, bei der die Korrosionsschutzschicht
Titan aufweist.
8. Offshore-Elektrolyseanlage (20) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei der großflächige
Wärmeübertrager (21) in einem Gestell (22) angeordnet ist, das den Wärmeübertrager
(21) umfasst und den Wärmeübertrager (21) für den jeweiligen Betriebszustand über
Befestigungen (24a, 24b) in Position hält.
9. Offshore-Elektrolyseanlage (20) nach Anspruch 8, bei dem das Gestell (22) mit dem
Wärmeübertrager (21) derart befestigt ist, dass bedarfsweise ein Herausführen oder
Herauskippen aus dem Meerwasser bewirkbar ist.
10. Offshore-Elektrolyseanlage (20) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, bei der das Gestell
(22) mit dem Wärmeübertrager (21) über eine drehbare Befestigung (24a) herauskippbar
ist.
11. Offshore-Elektrolyseanlage (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer
Anschlusseinheit zur Einspeisung von elektrischem Strom aus einer Offshore-Windturbine.
12. Verfahren zum Betrieb einer Offshore-Elektrolyseanlage (20) mit einem in einem Container
(2) angeordneten Elektrolyseur, bei dem für die Wärmeaufnahme und Ableitung von Prozesswärme
aus der Elektrolyse aus dem Container (2) Kühlmittel in einem geschlossenen Kühlmittelkreislauf
(3) geführt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem in dem geschlossenen Kühlmittelkreislauf (3) von
dem durch die Prozesswärme erwärmten Kühlmittel, Wärme auf Meerwasser übertragen wird
und das Kühlmittel dadurch abgekühlt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, bei dem ein schädigendes Eindringen
von Meerwasser in den Kühlmittelkreiskreislauf (3) überwacht wird.