VERFAHREN UND KOMPRESSORENANORDNUNG ZUM KOMPRIMIEREN VON WASSERSTOFF

Abstract

 Kompressorenanordnung und Verfahren zum Komprimieren von mit einem Elektrolyseur erzeugtem Wasserstoff, bei dem Wasserstoff mit einer ersten Flüssigkeitsringmaschine (15) auf einen Zwischendruck (20) komprimiert wird und bei dem der Wasserstoff mit einer zweiten Flüssigkeitsringmaschine (25, 35, 41, 42, 43, 44, 45) von dem Zwischendruck (20) auf einen Auslassdruck komprimiert wird. Über eine Bypassleitung (16) wird ein Druckausgleich zwischen der Ausgangsseite (21) und der Einlassseite (22) der ersten Flüssigkeitsringmaschine (15) zugelassen. Der Eingangsdruck (18) auf der Einlasseite (22) der ersten Flüssigkeitsringmaschine (15) wird konstant gehalten, indem mit einem einstellbaren Ventil (17) der Querschnitt der Bypassleitung (16) verändert wird. Der Wasserstoff wird von dem Zwischendruck (20) auf den Auslassdruck komprimiert, ohne dass der Zwischendruck (20) konstant gehalten wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Kompressorenanordnung zum Komprimieren von mit einem Elektrolyseur erzeugtem Wasserstoff.

[0002] Durch Elektrolyse hergestellter Wasserstoff wird für die Lagerung oder den Transport meist stark komprimiert, beispielsweise auf einen Druck zwischen 600 bar und 700 bar über Atmosphärendruck. Die Erfindung befasst sich mit der anfänglichen Komprimierung ausgehend von dem Druck, mit dem der Wasserstoff aus dem Elektrolyseur austritt, bis auf einen Auslassdruck, der höher ist und beispielsweise in der Größenordnung zwischen 5 bar und 10 bar über Atmosphärendruck liegen kann. Um den deutlich höheren Enddruck zu erreichen, können sich weitere Kompressionsstufen anschließen, die beispielsweise als Kolbenkompressoren ausgebildet sein können.

[0003] Für einen einwandfreien Betrieb eines Elektrolyseurs ist es von Vorteil, wenn der Eingangsdruck konstant gehalten wird, mit dem der Wasserstoff aus dem Elektrolyseur an die Kompressorenanordnung übergeben wird.

[0004] Es ist vorteilhaft, für die anfängliche Komprimierung von Wasserstoff eine Anordnung aus Flüssigkeitsringmaschinen zu verwenden. Flüssigkeitsringmaschinen sind gut geeignet, um das von einem Elektrolyseur abgegebene wasserhaltige Gemisch zu fördern und sind günstiger in der Herstellung als beispielsweise Kolbenkompressoren. Allerdings haben Flüssigkeitsringmaschinen bislang eine ungünstige Energieeffizienz, vor allem im Teillastbetrieb, der bei Elektrolyseuren zur Nutzung von Sonnen- oder Windenergie den Normalfall darstellt. Es gibt regelmäßig längere Betriebsphasen, in denen die Leistung des Elektrolyseurs sehr deutlich unterhalb der maximalen Leistung liegt.

[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Kompressorenanordnung zum Komprimieren von durch Elektrolyse erzeugtem Wasserstoff vorzustellen, mit denen diese Nachteile vermieden werden. Die Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.

[0006] Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Komprimieren von mit einem Elektrolyseur erzeugtem Wasserstoff wird der Wasserstoff mit einer ersten Flüssigkeitsringmaschine auf einen Zwischendruck komprimiert. Mit einer zweiten Flüssigkeitsringmaschine wird der Wasserstoff von dem Zwischendruck auf einen Auslassdruck komprimiert. Über eine Bypassleitung wird ein Rückfluss von der Ausgangsseite zu der Einlassseite der ersten Flüssigkeitsringmaschine zugelassen. Der Eingangsdruck auf der Einlassseite der ersten Flüssigkeitsringmaschine wird konstant gehalten, indem mit einem einstellbaren Ventil der Querschnitt der Bypassleitung verändert wird.

[0007] In einer Ausführungsform erfolgt die Komprimierung des Wasserstoffs von dem Zwischendruck auf den Auslassdruck, ohne dass der Zwischendruck konstant gehalten wird. Die Regelung des Eingangsdrucks der ersten Flüssigkeitsringmaschine erfolgt durch Verstellen des einstellbaren Ventils in der Bypassleitung. Da die zweite Flüssigkeitsringmaschine nicht mit einer Bypassregelung ausgerüstet ist und deswegen keine schnelle Reaktion der zweiten Flüssigkeitsringmaschine auf Veränderung des Zwischendrucks erfolgt, sinkt bei Öffnung des Bypassventils der ersten Flüssigkeitsringmaschine der Zwischendruck. Die Schwankung des Zwischendrucks im laufenden Betrieb der Kompressorenanordnung kann größer sein als 0,1 bar, vorzugsweise größer sein als 0,2 bar, weiter vorzugsweise größer sein als 0,5 bar. Als Schwankung des Zwischendrucks wird die Differenz zwischen dem höchsten Wert und dem niedrigsten Wert des Zwischendrucks im kontinuierlichen Betrieb der Kompressorenanordnung aus erster Flüssigkeitsringmaschine und zweiter Flüssigkeitsringmaschine bezeichnet. Die Schwankungen sind insbesondere eine Folge des schwankenden Volumenstroms, der von dem Elektrolyseur zu der Kompressorenanordnung zugeführt wird.

[0008] Die Erfindung wendet sich ab von der konventionellen Vorgehensweise, bei der eine Druckregelung für die Eingangsseite einer Flüssigkeitsringmaschine über eine Bypassleitung dann vorgenommen wird, wenn auch der Druck auf der Ausgangsseite der Flüssigkeitsringmaschine konstant gehalten wird. Bei zwei in Reihe geschalteten Flüssigkeitsringmaschinen bedeutet dies normalerweise, dass auch die zweite Flüssigkeitsringmaschine mit einer Bypassleitung versehen ist, über die ein Rückfluss von der Ausgangsseite zur Eingangsseite der zweiten Flüssigkeitsringmaschine erfolgt.

[0009] Die Erfindung hat erkannt, dass ein Rückfluss über die Bypassleitung der zweiten Flüssigkeitsringmaschine ein wesentlicher Grund für die ungünstige Energieeffizienz einer Reihenschaltung von Flüssigkeitsringmaschinen ist und dass bei der ersten Flüssigkeitsringmaschine von der Möglichkeit einer Druckregelung über eine Bypassleitung bei der Komprimierung von Wasserstoff auch dann Gebrauch gemacht werden kann, wenn der Druck auf der Ausgangsseite der ersten Flüssigkeitsringmaschine Schwankungen unterliegt.

[0010] In der Bypassleitung ist ein einstellbares Ventil angeordnet, mit dem der Rückfluss von der Ausgangsseite zur Eingangsseite der ersten Flüssigkeitsringmaschine reguliert werden kann. Das einstellbare Ventil kann kontinuierlich zwischen einem geöffneten Zustand und einem geschlossenen Zustand verstellbar sein. Das einstellbare Ventil kann in einen Regelkreis eingebunden sein, bei dem der Schaltzustand des Ventils in Abhängigkeit vom Druck auf der Eingangsseite der ersten Flüssigkeitsringmaschine eingestellt wird. Der Regelkreis kann so eingerichtet sein, dass das einstellbare Ventil mit steigendem Druck auf der Eingangsseite der ersten Flüssigkeitsringmaschine weiter schließt und umgekehrt.

[0011] Zwischen dem Auslass der erste Flüssigkeitsringmaschine und dem Einlass der zweiten Flüssigkeitsringmaschine kann ein Pufferbehälter angeordnet sein. Durch den Pufferbehälter können kurzzeitige Schwankungen des Zwischendrucks gedämpft werden. Der Pufferbehälter kann beispielsweise ein Volumen zwischen 0,2 m³ und 5 m³, vorzugsweise zwischen 0,5 m³ und 2 m³ haben. Der Pufferbehälter kann gleichzeitig als Flüssigkeitsabscheider genutzt werden, um Flüssigkeitsmengen, die in dem von der ersten Flüssigkeitsringmaschine kommenden Volumenstrom enthalten sind, abzuschneiden. Abgeschiedene Flüssigkeitsmengen können zu der ersten Flüssigkeitsringmaschine, insbesondere zum Flüssigkeitsring der ersten Flüssigkeitsringmaschine zurückgeführt werden.

[0012] Zwischen dem Auslass der ersten Flüssigkeitsringmaschine und dem Einlass der zweiten Flüssigkeitsringmaschine kann ein Rückschlagventil angeordnet sein, um zu verhindern, dass ein Druckanstieg in der zweiten Flüssigkeitsringmaschine auf den Zwischendruck zurückwirken kann. Das Rückschlagventil kann zwischen der Abzweigung zur Bypassleitung und dem Einlass der zweiten Flüssigkeitsringmaschine angeordnet sein. Das Rückschlagventil kann zwischen dem Pufferbehälter und dem Einlass der zweiten Flüssigkeitsringmaschine angeordnet sein. Insbesondere ermöglicht ein derartiges Rückschlagventil jedoch bei Parallelschaltung von Flüssigkeitsringmaschinen in der zweiten Stufe das Abschalten einzelner Maschinen zur Anpassung der Leistung an den Bedarf.

[0013] In einer Ausführungsform ist für den Zwischendruck eine Obergrenze vorgegeben. Ein zu hoher Zwischendruck ist ungünstig, weil die erste Flüssigkeitsringmaschine dann unter Umständen nicht mehr in der Lage ist, den Druck auf der Eingangsseite, konstant zu halten. Dies kann wiederum die Elektrolyse beeinträchtigen, die davon abhängt, dass der Wasserstoff bei einem bestimmten Druck an die erste Flüssigkeitsringmaschine übergeben werden kann. Andererseits kann dann auch für die erste Kompressionsstufe eine Flüssigkeitsringmaschine eingesetzt werden, die für geringere Auslassdrücke optimiert, aber im maximalen Auslassdruck begrenzt ist. Die zweite Flüssigkeitsringmaschine kann so ausgelegt sein und betrieben werden, dass die Obergrenze für den Zwischendruck nicht überschritten wird. Insbesondere kann die zweite Flüssigkeitsringmaschine so betrieben werden, dass die Drehzahl der zweiten Flüssigkeitsringmaschine erhöht wird, um einem Anstieg des Zwischendrucks über die Obergrenze hinaus entgegenzuwirken.

[0014] Eine erfindungsgemäße Erkenntnis liegt darin, dass es ein Vorteil sein kann, wenn der Zwischendruck nicht konstant gehalten wird. Eine Verminderung des Zwischendrucks führt zu einer Energieeinsparung in der ersten Stufe, gleichzeitig muss aber dafür gesorgt werden, dass der Zwischendruck nicht zu niedrig wird, um eine Regelreserve für die Bypassregelung zu erhalten und auch ein Kavitation in dem zweiten Kompressor zu vermeiden. Wird die Bypassleitung der ersten Flüssigkeitsringmaschine geöffnet, führt dies sehr schnell zu einer Absenkung des Zwischendrucks. Diese Absenkung kann erst mit einer Verzögerung durch eine Verminderung der Drehzahl der zweiten Flüssigkeitsringmaschine ausgeglichen werden. Da der Zwischendruck nie unter einen Minimalwert fallen darf und die Flüssigkeitsringmaschinen auch immer eine minimale Drehzahl benötigen, um einen stabilen Flüssigkeitsring aufzubauen diese beiden Werte aber auch in einem Zusammenhang stehen, wurde bisher immer mit einem konstanten Zwischendruck gearbeitet, wenn zwei Flüssigkeitsringkompressoren in Reihe geschaltet wurden.

[0015] Eine Möglichkeit, den Zwischendruck konstant zu halten, würde darin bestehen, auch die zweite Flüssigkeitsringmaschine mit einer Bypassleitung zu versehen, die einen Rückfluss von der Ausgangsseite zu der Eingangsseite der zweiten Flüssigkeitsringmaschine erlaubt. Durch aufeinander abgestimmte Ansteuerung der beiden Bypassleitungen könnte der Zwischendruck auf einem vorgegebenen Wert gehalten werden. Im Rahmen der Erfindung ist dies nicht vorgesehen, weil die Energieeffizienz der Kompressorenanordnung durch eine Bypassleitung über der zweiten Flüssigkeitsringmaschine beeinträchtigt wird. Die Kompression des Wasserstoffs von dem Zwischendruck auf den Auslassdruck kann erfolgen, ohne dass über eine zwischen der Auslassseite und der Einlassseite der zweiten Flüssigkeitsringmaschine angeordnete Rückleitung ein Rückfluss zugelassen wird.

[0016] Die zweite Flüssigkeitsringmaschine kann so angesteuert werden, dass der Energieverbrauch klein gehalten wird, ohne dass die Obergrenze für den Zwischendruck überschritten wird. Diese Vorgehensweise kann ihre Grenzen finden durch eine Vorgabe, dass der zulässige Betriebsbereich der zweiten Flüssigkeitsringmaschine eingehalten werden muss. Insbesondere kann eine Untergrenze für die Drehzahl der zweiten Flüssigkeitsringmaschine vorgesehen sein. Die Drehzahluntergrenze kann sich an den Betriebserfordernissen der zweiten Flüssigkeitsringmaschine orientieren. Die Drehzahluntergrenze kann so bemessen sein, dass unerwünschte Schwingungszustände der zweiten Flüssigkeitsringmaschine vermieden werden. Die Funktionsfähigkeit der Kompressorenanordnung insgesamt wird durch die Drehzahluntergrenze nicht beeinträchtigt, weil es durch stärkeres Öffnen des Ventils in der Bypassleitung der ersten Flüssigkeitsringmaschine ausgeglichen werden kann, wenn die zweite Flüssigkeitsringmaschine mit einer höheren Drehzahl läuft, als es zum Halten des Zwischendrucks erforderlich wäre.

[0017] Die Energieeffizienz kann weiter verbessert werden, wenn der Wasserstoff mit einer Mehrzahl von parallel geschalteten zweiten Flüssigkeitsringmaschinen von dem Zwischendruck auf den Auslassdruck komprimiert wird. Dies eröffnet die zusätzliche Möglichkeit, die Anzahl der zweiten Flüssigkeitsringmaschinen zu variieren, die zum Komprimieren vom Zwischendruck auf den Auslassdruck verwendet wird. Reicht die Leistung eines Teils der zweiten Flüssigkeitsringmaschinen aus, um den Zwischendruck im gewünschten Bereich zu halten, so ist es häufig energieeffizienter nur diesen Teil der zweiten Flüssigkeitsringmaschinen in Betrieb zu halten und die anderen zweiten Flüssigkeitsringmaschinen abzuschalten. Insbesondere kann in Abhängigkeit von der momentanen Leistung des Elektrolyseurs ein Teil der zweiten Flüssigkeitsringmaschinen abgeschaltet werden und der über die erste Flüssigkeitsringmaschine von dem Elektrolyseur kommende Volumenstrom mit dem anderen Teil der zweiten Flüssigkeitsringmaschinen komprimiert werden.

[0018] Die Kompression vom Zwischendruck auf den Ausgangsdruck kann mit wenigstens zwei, vorzugsweise wenigstens drei, weiter vorzugsweise wenigstens fünf parallel geschalteten zweiten Flüssigkeitsringmaschinen erfolgen. Die Anzahl der Flüssigkeitsringmaschinen, die einer zeitweisen Abschaltung unterliegt, kann variabel sein. Es kann Betriebszustände geben, bei denen eine einzelne Flüssigkeitsringmaschine abgeschaltet ist, und Betriebszustände geben, bei denen nur noch eine Flüssigkeitsringmaschine in Betrieb ist. Alle Betriebszustände dazwischen sind ebenfalls möglich.

[0019] Die Ansteuerung der zweiten Kompressionsstufe, also die Ansteuerung der zweiten Flüssigkeitsringmaschine oder der Mehrzahl der zweiten Flüssigkeitsringmaschinen kann im Wege einer Steuerung (Open Loop) oder eines geschlossenen Regelkreises (Closed Loop) erfolgen. Die Ansteuerung kann abhängen von der Leistung, mit der der Elektrolyseur betrieben wird, von der Stellung des einstellbaren Ventils in der Bypassleitung der ersten Flüssigkeitsringmaschine, vom Zwischendruck, von der Drehzahl der ersten Flüssigkeitsringmaschine und/oder weiteren Parametern der Kompressorenanordnung. Die Ansteuerung kann so erfolgen, dass in einer für die zweite Kompressionsstufe zuständigen Steuereinheit eine Tabelle hinterlegt ist, aus der anhand von Messwerten über den gegenwärtigen Betriebszustand der Kompressorenanordnung und insbesondere der Leistung des Elektrolyseurs Vorgabewerte für den Betrieb der zweiten Kompressionsstufe abgelesen werden können. Die Steuereinheit kann dazu ausgelegt sein, Steuerbefehle an die zweite Flüssigkeitsringmaschine oder die zweiten Flüssigkeitsringmaschinen zu senden, den Betrieb gemäß den Vorgabewerten der Tabelle einzustellen. Die Vorgabewerte können anhand einer Zustandsschätzung der Kompressorenanordnung erfolgen oder auf Basis einer Simulation eines digitalen Twins. Im Falle eines geschlossenen Regelkreises kann die Ermittlung der Vorgabewerte direkt anhand von Messwerten über den Betriebszustand der Kompressorenanordnung erfolgen.

[0020] Zusätzlich oder alternativ dazu ist auch eine prädiktive Steuerung oder Regelung möglich, bei der Vorhersagen über einen zukünftigen Betriebszustand des Elektrolyseurs einfließen. Dabei können Vorhersagen über die Menge an regenerativer Energie berücksichtigt werden, die für einen zukünftigen Zeitpunkt erwartet wird. Eine Erwartung für zukünftige Mengen an Windenergie oder Sonnenenergie kann beispielsweise aus einer Wettervorhersage abgeleitet werden.

[0021] Der Druck, mit dem der Elektrolyseur den Wasserstoff abgibt, kann leicht oberhalb Atmosphärendruck liegen, beispielsweise zwischen 0,1 bar und 0,3 bar höher als Atmosphärendruck. Der Zwischendruck zwischen der ersten Kompressionsstufe und der zweiten Kompressionsstufe kann beispielsweise zwischen 0,5 bar und 2 bar höher sein als Atmosphärendruck. Der Auslassdruck auf der Ausgangsseite der zweiten Kompressionsstufe kann beispielsweise zwischen 6 bar und 12 bar höher sein als Atmosphärendruck. An die zweite Kompressionsstufe können ein oder mehrere weitere Kompressionsstufen anschließen, mit denen der Wasserstoff auf einen Druck von wenigstens 100 bar, vorzugsweise von wenigstens 200 bar, weiter vorzugsweise von wenigstens 500 bar über Atmosphärendruck komprimiert wird. Zwischen der zweiten Kompressionsstufe und einer dritten Kompressionsstufe kann ein Flüssigkeitsabscheider angeordnet sein, um Flüssigkeitsmengen abzuscheiden, die in dem von der zweiten Flüssigkeitsringmaschine kommenden Volumenstrom enthalten sind. Abgeschiedene Flüssigkeitsmengen können zu der zweiten Flüssigkeitsringmaschine, insbesondere zum Flüssigkeitsring der zweiten Flüssigkeitsringmaschine zurückgeführt werden.

[0022] Die Kompressorenanordnung kann für hohe Wasserstoff-Volumenströme ausgelegt sein, die von dem Elektrolyseur an die erste Flüssigkeitsringmaschine übergeben werden. Beispielsweise kann die erste Flüssigkeitsringmaschine dazu ausgelegt sein, einen Volumenstrom von wenigstens 2000 m³/h, vorzugsweise einen Volumenstrom von wenigstens 5000 m³/h, weiter vorzugsweise einen Volumenstrom von wenigstens 10.000 m³/h von dem Elektrolyseur zu übernehmen.

[0023] Der von einem Elektrolyseur abgegebene Volumenstrom an Wasserstoff hängt häufig davon ab, in welchem Umfang regenerative Energie zur Verfügung steht, mit der der Elektrolyseur betrieben wird. Da die Menge an verfügbarer regenerativer Energie bekanntlich stark variabel ist, ist es von Vorteil, wenn die Kompressorenanordnung dazu ausgelegt ist, stark schwankende Volumenströme zu fördern. Die Kompressorenanordnung kann so betrieben werden, dass der maximale Volumenstrom über weniger als 20 %, vorzugsweise weniger als 10 %, weiter vorzugsweise weniger als 5 % der Betriebszeit abgerufen wird. In anderen Phasen der Betriebszeit kann ein kleiner Volumenstrom gefördert werden, der kleiner ist als 50 %, vorzugsweise kleiner ist als 20 %, weiter vorzugsweise kleiner ist als 10 % des maximalen Volumenstroms. Die Betriebszeit, in der ein kleiner Volumenstrom gefördert wird, kann wenigstens 10 %, vorzugsweise wenigstens 20 %, weiter vorzugsweise wenigstens 50 % der gesamten Betriebszeit ausmachen.

[0024] Auf der zweiten Kompressionsstufe kann die Anpassung an die schwankenden Volumenströme dadurch erfolgen, dass die Anzahl der in Betrieb genommenen zweiten Flüssigkeitsringmaschinen variiert wird.

[0025] Auf der ersten Kompressionsstufe kann die Kompressorenanordnung genau eine Flüssigkeitsringmaschine umfassen. Eine schnelle Reaktion auf einen geänderten Volumenstrom, der vom Elektrolyseur zum Eingang der ersten Flüssigkeitsringmaschine zugeführt wird, kann durch eine Anpassung des Querschnitts der Bypassleitung erfolgen. Für die Energieeffizienz ist es jedoch von Nachteil, wenn es bei geringem Volumenstrom vom Elektrolyseur einen starken Rückfluss durch die Bypassleitung gibt.

[0026] Ergänzend zum Anpassen des Querschnitts der Bypassleitung kann der Druck auf der Einlassseite der ersten Flüssigkeitsringmaschine konstant gehalten werden, indem die erste Flüssigkeitsringmaschine drehzahlvariabel betrieben wird. In Betriebsphasen, in denen der vom Elektrolyseur kommende Volumenstrom gering ist, kann die Drehzahl der ersten Flüssigkeitsringmaschine reduziert werden, sodass weniger Energie verbraucht wird. Dabei sollten die Betriebsgrenzen der ersten Flüssigkeitsringmaschine eingehalten werden, beispielsweise indem eine untere Drehzahlgrenze eingehalten wird, unterhalb derer ein stabiler Betrieb der ersten Flüssigkeitsringmaschine nicht mehr gewährleistet ist.

[0027] Geht man von einer ersten Flüssigkeitsringmaschine aus, die Volumenströme bis zu 10.000 m³/h fördern kann, so können mit der Kompressorenanordnung Elektrolyseur bis zu einer Leistung von etwa 50 MW betrieben werden. Für Elektrolyseure mit höherer Leistung können mehrere Kompressorenanordnungen parallel betrieben werden. Damit wird die Möglichkeit eröffnet, die Anzahl der Kompressorenanordnungen, mit denen von dem Elektrolyseur kommender Wasserstoff komprimiert wird, zu variieren, wodurch ein weiterer Beitrag zur Steigerung der Energieeffizienz geleistet werden kann.

[0028] Von der Erfindung umfasst ist ein Kompressionssystem, bei dem mehrere Kompressorenanordnungen der beschriebenen Art an einen Elektrolyseur angeschlossen sind. Das Kompressionssystem kann so betrieben werden, dass abhängig vom Volumenstrom, der von dem Elektrolyseur zu dem Kompressionssystem zugeführt wird, die Anzahl der Kompressorenanordnungen variiert wird, mit denen der Wasserstoff komprimiert wird.

[0029] Die Erfindung betrifft auch eine Kompressorenanordnung zum Komprimieren von mit einem Elektrolyseur erzeugtem Wasserstoff, umfassend eine erste Flüssigkeitsringmaschine, um von dem Elektrolyseur zugeführten Wasserstoff auf einen Zwischendruck zu komprimieren, und eine zweite Flüssigkeitsringmaschine, um den Wasserstoff von dem Zwischendruck auf einen Auslassdruck zu komprimieren. Es ist eine Bypassleitung zwischen der Ausgangsseite und der Einlassseite der ersten Flüssigkeitsringmaschine vorgesehen, um den Eingangsdruck auf der Einlassseite der ersten Flüssigkeitsringmaschine konstant zu halten. Die Kompressorenanordnung ist dazu ausgelegt, den Wasserstoff von dem Zwischendruck auf den Auslassdruck zu komprimieren, ohne dass der Zwischendruck konstant gehalten wird.

[0030] Die Offenbarung umfasst Fortbildungen der Kompressorenanordnung mit Merkmalen, die im Zusammenhang des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben sind. Die Offenbarung umfasst Weiterbildungen des Verfahrens, die im Zusammenhang der erfindungsgemäßen Kompressorenanordnung beschrieben sind.

[0031] Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand vorteilhafter Ausführungsformen beispielhaft beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1:

eine zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgelegte erfindungsgemäße Kompressorenanordnung;

Fig. 2:

die Ansicht gemäß Fig. 1 bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3:

eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kompressorenanordnung;

Fig. 4:

ein Kompressorensystem mit einer Mehrzahl von erfindungsgemäßen Kompressorenanordnungen.

[0032] In Fig. 1 ist eine Kompressorenanordnung gezeigt, die an einen Elektrolyseur 14 angeschlossen ist. In dem Elektrolyseur 14 erzeugter Wasserstoff wird mit einem Eingangsdruck, der beispielsweise 0,2 bar über Atmosphärendruck liegen kann, an die Kompressorenanordnung übergeben. In der Kompressorenanordnung wird der Wasserstoff komprimiert und mit einem Auslassdruck von beispielsweise 10 bar über Atmosphärendruck über eine Ausgangsleitung 32 abgegeben. Der Elektrolyseur 14 hat eine maximale Leistung von 25 MW, was einem Volumenstrom an Wasserstoff in der Größenordnung von 5000 m³/h entspricht, der dem Eingang der Kompressorenanordnung zugeführt wird.

[0033] Für den Betrieb des Elektrolyseurs 14 ist es von Bedeutung, dass am Ausgang des Elektrolyseurs 14 ein konstanter Druck gehalten wird, mit dem der produzierte Wasserstoff an die Kompressorenanordnung übergeben werden kann.

[0034] Die Kompressorenanordnung umfasst eine erste Kompressionsstufe mit einer ersten Flüssigkeitsringmaschine 15 und eine zweite Kompressionsstufe mit einer zweiten Flüssigkeitsringmaschine 25. Die erste Flüssigkeitsringmaschine 15 und die zweite Flüssigkeitsringmaschine 25 sind in Reihe geschaltet. Mit der erste Flüssigkeitsringmaschine 15 wird der Wasserstoff von dem Anfangsdruck auf einen Zwischendruck 20 komprimiert, der beispielsweise zwischen 0,5 bar und 2 bar über Atmosphärendruck liegen kann. Mit der zweiten Flüssigkeitsringmaschine 25 wird der Wasserstoff ausgehend von dem Zwischendruck 20 auf den Enddruck komprimiert.

[0035] Die erste Flüssigkeitsringmaschine 15 wird mit einem Motor 23 angetrieben, der in diesem Ausführungsbeispiel mit konstanter Drehzahl betrieben wird. Zwischen der Auslassseite 21 und der Einlassseite 22 der ersten Flüssigkeitsringmaschine 15 erstreckt sich eine Bypassleitung 16, die einen Rückfluss von der Auslassseite 21 zu der Einlassseite 22 erlaubt. Die Bypassleitung 16 ist mit einem einstellbaren Ventil 17 versehen, das kontinuierlich verstellbar ist. Mit dem einstellbaren Ventil 17 wird der Querschnitt der Bypassleitung 16 verändert, der für einen Rückfluss von der Auslassseite 21 zu der Einlassseite 22 zur Verfügung steht.

[0036] Das einstellbaren Ventil 17 wird von einer nicht dargestellten Steuereinheit angesteuert. Die Ansteuerung erfolgt in Abhängigkeit von dem Eingangsdruck 18, der auf der Eingangsseite 22 der ersten Flüssigkeitsringmaschine 15 anliegt. Die Steuereinheit ist dazu ausgelegt, den Eingangsdruck 18 konstant zu halten. Die Steuereinheit steuert das einstellbaren Ventil 17 also so an, dass einem Anstieg des Eingangsdrucks mit einer Vergrößerung des Querschnitts der Bypassleitung 16 entgegengewirkt wird, und dass einem Abfall des Eingangsdrucks mit einer Verkleinerung des Querschnitts der Bypassleitung 16 entgegengewirkt wird.

[0037] Zwischen der ersten Flüssigkeitsringmaschine 15 und der zweiten Flüssigkeitsringmaschine 25 ist ein Pufferbehälter 19 angeordnet, der ein Volumen von 0,5 m³ hat. Durch den Pufferbehälter 19 werden die Schwankungen des Zwischendrucks 20 gedämpft, die sich durch das Betätigen des einstellbaren Ventils 17 ergeben. Der Pufferbehälter 19 dient zugleich als Flüssigkeitsabscheider, mit dem Flüssigkeitsmengen aus dem von der ersten Flüssigkeitsringmaschine 15 kommenden Volumenstrom abgeschieden werden. Die Flüssigkeitsmengen werden über einen Wärmetauscher 24 zu dem Flüssigkeitsring der erste Flüssigkeitsringmaschine 15 zurückgeführt.

[0038] Die zweite Flüssigkeitsringmaschine 25, an deren Einlass 33 der Zwischendruck 20 anliegt, wird mit einem drehzahlvariablen Motor 28 angetrieben, der über einen Umrichter 29 so mit elektrischer Energie versorgt wird, dass sich eine gewünschte Drehzahl einstellt. Zwischen der Auslassseite 26 der zweiten Flüssigkeitsringmaschine 25 und der Auslassleitung 32 der Kompressorenanordnung wird der Volumenstrom durch einen Flüssigkeitsabscheider 30 hindurchgeführt. Aus dem Volumenstrom abgeschiedene Flüssigkeitsmengen werden über einen Wärmetauscher 27 zu dem Flüssigkeitsring der zweite Flüssigkeitsringmaschine 25 zurückgeführt.

[0039] Die Steuereinheit steuert den Wechselrichter 29 so an, dass einerseits der Zwischendruck 20 in einer Spanne zwischen 0,5 bar und 2 bar über Atmosphärendruck gehalten wird und dass andererseits der Energieverbrauch so gering wie möglich gehalten wird. Dabei berücksichtigt die Steuereinheit die Betriebsgrenzen der zweiten Flüssigkeitsringmaschine 25 und senkt beispielsweise die Drehzahl nicht so weit ab, dass die zweite Flüssigkeitsringmaschine 25 in Schwingung gerät. Die betreffenden Steuerbefehle für den Wechselrichter 29 liest die Steuereinheit aus einer Tabelle ab, in der die Steuerbefehle in Abhängigkeit von Parametern wie der Leistung des Elektrolyseurs 14, der Stellung des einstellbaren Ventils 17 und des Zwischendrucks 20 hinterlegt sind.

[0040] Für den Betrieb der Kompressorenanordnung bedeutet dies, dass das einstellbare Ventil 17 nur in Abhängigkeit von dem Eingangsdruck 18 betätigt wird und dass mit einer Betätigung des einstellbaren Ventils 17 einhergehende Schwankungen des Zwischendrucks 20 hingenommen werden. Die Drehzahlregelung der zweiten Flüssigkeitsringmaschine 25 wirkt Schwankungen des Zwischendrucks 20 entgegen, ohne diese aber vollständig auszugleichen. Die Wirkung einer Betätigung des einstellbaren Ventils 17 auf den Zwischendruck 20 ist deutlich schneller als eine darauffolgende Drehzahländerung der zweiten Flüssigkeitsringmaschine 25. Allerdings reicht die Drehzahlregelung der zweiten Flüssigkeitsringmaschine 25 aus, um den Zwischendruck 20 innerhalb einer vorgegebenen Spanne zu halten, die beispielsweise zwischen 0,5 bar und 2 bar über Atmosphärendruck liegen kann.

[0041] Wird die zweite Flüssigkeitsringmaschine 25 mit einer höheren Drehzahl betrieben, als es zum Halten des Zwischendrucks 20 erforderlich wäre, so führt der abgesenkte Zwischendruck 20 dazu, dass die erste Flüssigkeitsringmaschine 15 einen höheren Volumenstrom fordern kann, was wiederum über einen sinkenden Eingangsdruck 18 dazu führt, dass das einstellbare Ventil 17 weiter geöffnet wird. Eine höhere Drehzahl der zweiten Flüssigkeitsringmaschine 25 führt also lediglich zu einem höheren Energieverbrauch, ohne dass der Elektrolyseur 14 durch eine Änderung des Eingangsdrucks 18 beeinträchtigt wird. Die Ansteuerung des Umrichters 29 erfolgt vor diesem Hintergrund so, dass die Drehzahl der zweiten Flüssigkeitsmaschine 25 so niedrig gehalten wird, wie es der Betriebszustand der Kompressorenanordnung zulässt.

[0042] In Fig. 2 ist eine alternative Ausführungsform gezeigt, bei der der Elektrolyseur 14 eine maximale Leistung von 50 MW hat, was einem Volumenstrom an Wasserstoff von etwa 10.000 m³/h entspricht. Auf der ersten Kompressionsstufe ist eine erste Flüssigkeitsringmaschine 15 vorgesehen, die diesen Volumenstrom fördern kann. Die zweite Kompressionsstufe umfasst zwei zweite Flüssigkeitsringmaschinen 25, 35 umfasst, die parallel zueinander betrieben werden.

[0043] An die Ausgangsleitung 32 der Kompressorenanordnung schließen sich weitere Kompressionsstufen haben, die in Fig. 2 schematisch als ein Block 36 angedeutet sind. Von dem Druck in der Ausgangsleitung 32, der beispielsweise 10 bar über Atmosphärendruck liegen kann, wird der Wasserstoff mit den weiteren Kompressionsstufen 36 auf einen wesentlich höheren Druck von beispielsweise 700 bar komprimiert. Bei diesem Druck wird der Wasserstoff in einem Tank 37 gespeichert.

[0044] Die beiden zweiten Flüssigkeitsringmaschinen 25, 38 der zweiten Kompressionsstufe werden mit Motoren 28, 38 angetrieben, die beide mit einem Umrichter 29, 39 drehzahlvariabel angesteuert werden. Liegt die Leistung des Elektrolyseurs 14 in der Nähe der maximalen Leistung, so sind beide zweiten Flüssigkeitsringmaschinen 25, 38 parallel zueinander in Betrieb und werden nach den gleichen Grundsätzen angesteuert, die im Zusammenhang des Ausführungsbeispiels in Fig. 1 beschrieben wurden.

[0045] Bei dem aus regenerativer Energie gespeisten Elektrolyseur 14 gibt es längere Betriebsphasen, in denen die Leistung weit unterhalb der maximalen Leistung liegt, beispielsweise bei 20 % oder 10 % der maximalen Leistung. Durch die Parallelschaltung von zweiten Flüssigkeitsringmaschinen 25, 35 auf der zweiten Kompressionsstufe wird eine weitere Möglichkeit zur Steigerung der Energieeffizienz eröffnet, indem eine der beiden zweiten Flüssigkeitsringmaschinen 25, 35 abgeschaltet wird und der verminderte Volumenstrom nur mit der anderen der beiden zweiten Flüssigkeitsringmaschinen 25, 35 gefördert wird.

[0046] Mit der Möglichkeit nur einen Teil der zweiten Flüssigkeitsringmaschinen 25, 35 in Betrieb zu halten, wird der Steuereinheit ein weiterer Freiheitsgrad zur Verfügung gestellt, der zur Steigerung der Energieeffizienz genutzt werden kann. Anstatt zwei zweite Flüssigkeitsringmaschinen 25, 35 bei sehr niedriger Drehzahl zu betreiben, wird eine der beiden zweiten Flüssigkeitsringmaschinen 25, 35 bei höherer Drehzahl betrieben. Die betreffenden Steuerbefehle liest die Steuereinheit anhand von Parametern über den Betriebszustand der Kompressorenanordnung, insbesondere anhand der momentanen Leistung des Elektrolyseurs 14 aus einer Tabelle ab.

[0047] Zusätzlich wird auch die Flüssigkeitsringmaschine 15 der ersten Kompressionsstufe mit einem drehzahlvariablen Antrieb 23, 34 angetrieben. Anstatt bei einem niedrigen von dem Elektrolyseur 14 kommenden Volumenstrom einen sehr hohen Rückfluss durch die Bypassleitung 16 hinzunehmen, kann die Drehzahl der ersten Flüssigkeitsringmaschine 15 reduziert werden. Dies führt zu einer höheren Energieeffizienz, weil der Rückfluss durch die Bypassleitung 16 sinkt. Die Steuereinheit steuert das einstellbare Ventil 17 und den Wechselrichter 34 entsprechend an, wobei die Ansteuerung in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern des Betriebszustands, insbesondere in Abhängigkeit von der momentanen Leistung des Elektrolyseurs 14 erfolgen kann.

[0048] In Fig. 3 ist eine Kompressorenanordnung 40 gezeigt, die auf der ersten Kompressionsstufe 46 eine einzelne Flüssigkeitsringmaschine 15 umfasst und die auf der zweiten Kompressionsstufe 47 fünf zueinander parallel geschaltete zweite Flüssigkeitsringmaschinen 41, 42, 43, 44, 45 umfasst. Durch die Mehrzahl von zweiten Flüssigkeitsringmaschinen 41, 42, 43, 44, 45, die unabhängig voneinander in Betrieb genommen werden oder abgeschaltet werden können, besteht die Möglichkeit die auf der zweiten Kompressionsstufe 47 zur Verfügung stehende Kompressionsleistung feiner auf die momentane Leistung des Elektrolyseurs abzustimmen.

[0049] In Fig. 4 hat der Elektrolyseur 14 eine höhere maximale Leistung von beispielsweise 250 MW. Um den damit erzeugten Volumenstrom an Wasserstoff fördern zu können, ist ein Kompressorensystem an den Elektrolyseur 14 angeschlossen, in dem fünf der in Fig. 3 gezeigten Kompressorenanordnungen 40 parallel zueinander betrieben werden. Indem die Kompressorenanordnungen 40 einzeln voneinander in Betrieb genommen oder abgeschaltet werden können und indem die Flüssigkeitsringmaschinen der zweiten Kompressionsstufe 47 bei jeder Kompressorenanordnung ebenfalls einzeln voneinander in Betrieb genommen oder abgeschaltet werden können, kann das Kompressorensystem noch feiner auf die gegenwärtige Leistung des Elektrolyseurs 40 abgestimmt werden, was eine weitere Erhöhung der Energieeffizienz ermöglicht.

Ansprüche

1. Verfahren zum Komprimieren von mit einem Elektrolyseur erzeugtem Wasserstoff, bei dem Wasserstoff mit einer ersten Flüssigkeitsringmaschine (15) auf einen Zwischendruck (20) komprimiert wird und bei dem der Wasserstoff mit einer zweiten Flüssigkeitsringmaschine (25, 35, 41, 42, 43, 44, 45) von dem Zwischendruck (20) auf einen Auslassdruck komprimiert wird, wobei über eine Bypassleitung (16) ein Rückfluss zwischen der Ausgangsseite (21) und der Einlassseite (22) der ersten Flüssigkeitsringmaschine (15) zugelassen wird, wobei der Eingangsdruck (18) auf der Einlasseite (22) der ersten Flüssigkeitsringmaschine (15) konstant gehalten wird, indem mit einem einstellbaren Ventil (17) der Querschnitt der Bypassleitung (16) verändert wird, und bei dem der Wasserstoff von dem Zwischendruck (20) auf den Auslassdruck komprimiert wird, ohne dass der Zwischendruck (20) konstant gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in der Bypassleitung (16) ein einstellbares Ventil (17) angeordnet ist, um den Rückfluss von der Ausgangsseite (21) zur Eingangsseite (22) der ersten Flüssigkeitsringmaschine (15) zu regulieren.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei zwischen der Ausgangsseite (21) der erste Flüssigkeitsringmaschine (15) und dem Einlass (33) der zweiten Flüssigkeitsringmaschine (25) ein Pufferbehälter (19) angeordnet ist, der ein Volumen zwischen 0,2 m³ und 5 m³, vorzugsweise zwischen 0,5 m³ und 2 m³ hat.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei für den Zwischendruck (20) eine Obergrenze vorgegeben ist und wobei die zweite Flüssigkeitsringmaschine (25) so betrieben wird, dass die Obergrenze für den Zwischendruck (20) nicht überschritten wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Wasserstoff mit einer Mehrzahl von zweiten Flüssigkeitsringmaschinen (25, 35, 41, 42, 43, 44, 45) von dem Zwischendruck (20) auf den Auslassdruck komprimiert wird und wobei die zweiten Flüssigkeitsringmaschinen (25, 35, 41, 42, 43, 44, 45) parallel zueinander geschaltet sind.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei in Abhängigkeit von der momentanen Leistung des Elektrolyseurs (14) ein Teil der zweiten Flüssigkeitsringmaschinen (25, 35, 41, 42, 43, 44, 45) abgeschaltet wird und der über die erste Flüssigkeitsringmaschine (15) von dem Elektrolyseur (14) kommende Volumenstrom mit dem anderen Teil der zweiten Flüssigkeitsringmaschinen (25, 35, 41, 42, 43, 44, 45) komprimiert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Wasserstoff mit der ersten Flüssigkeitsringmaschine (15) von einem Eingangsdruck (18), der zwischen 0,1 bar und 0,3 bar höher ist als Atmosphärendruck, auf einen Zwischendruck (20) komprimiert wird, der zwischen 0,5 bar und 2 bar höher ist als Atmosphärendruck.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Wasserstoff mit der zweiten Flüssigkeitsringmaschine (25) oder den zweiten Flüssigkeitsringmaschinen (25, 35, 41, 42, 43, 44, 45) auf einen Auslassdruck komprimiert wird, der zwischen 6 bar und 12 bar höher ist als Atmosphärendruck.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Wasserstoff mit ein oder mehreren nachfolgenden Kompressionsstufen (36) auf einen Druck von wenigstens 100 bar, vorzugsweise von wenigstens 200 bar, weiter vorzugsweise von wenigstens 500 bar über Atmosphärendruck komprimiert wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die erste Flüssigkeitsringmaschine (15) dazu ausgelegt ist, einen Volumenstrom von wenigstens 2000 m³/h, vorzugsweise einen Volumenstrom von wenigstens 5000 m³/h, weiter vorzugsweise einen Volumenstrom von wenigstens 10.000 m³/h von dem Elektrolyseur (14) zu übernehmen.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die erste Flüssigkeitsringmaschine (15) drehzahlvariabel betrieben wird.

12. Kompressorenanordnung zum Komprimieren von mit einem Elektrolyseur erzeugtem Wasserstoff, mit einer ersten Flüssigkeitsringmaschine (15), um von dem Elektrolyseur (14) zugeführten Wasserstoff auf einen Zwischendruck (20) zu komprimieren, mit einer zweiten Flüssigkeitsringmaschine (25, 35, 41, 42, 43, 44, 45), um den Wasserstoff von dem Zwischendruck (20) auf einen Auslassdruck zu komprimieren, und mit einer Bypassleitung (16) zwischen der Ausgangsseite (21) und der Einlassseite (22) der ersten Flüssigkeitsringmaschine (15), um den Eingangsdruck (18) auf der Einlassseite (22) der ersten Flüssigkeitsringmaschine (15) konstant zu halten, wobei die Kompressorenanordnung dazu ausgelegt ist, den Wasserstoff von dem Zwischendruck (20) auf den Auslassdruck zu komprimieren, ohne dass der Zwischendruck (20) konstant gehalten wird.

Zeichnung