EP4461961A1 - Verfahren und kompressorenanordnung zum komprimieren von wasserstoff - Google Patents

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EP4461961A1
EP4461961A1 EP23172779.3A EP23172779A EP4461961A1 EP 4461961 A1 EP4461961 A1 EP 4461961A1 EP 23172779 A EP23172779 A EP 23172779A EP 4461961 A1 EP4461961 A1 EP 4461961A1
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EP
European Patent Office
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liquid ring
pressure
ring machine
hydrogen
intermediate pressure
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP23172779.3A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Heiner KÖSTERS
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Flowserve Management Co
Original Assignee
Flowserve Management Co
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Publication date
Application filed by Flowserve Management Co filed Critical Flowserve Management Co
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Priority to EP24723129.3A priority patent/EP4709997A1/de
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Priority to PCT/EP2024/061837 priority patent/WO2024231166A1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C19/00—Rotary-piston pumps with fluid ring or the like, specially adapted for elastic fluids
    • F04C19/001—General arrangements, plants, flowsheets
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04C23/00—Combinations of two or more pumps, each being of rotary-piston or oscillating-piston type, specially adapted for elastic fluids; Pumping installations specially adapted for elastic fluids; Multi-stage pumps specially adapted for elastic fluids
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04C28/00—Control of, monitoring of, or safety arrangements for, pumps or pumping installations specially adapted for elastic fluids
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04C28/24—Control of, monitoring of, or safety arrangements for, pumps or pumping installations specially adapted for elastic fluids characterised by using valves controlling pressure or flow rate, e.g. discharge valves or unloading valves
    • F04C28/26—Control of, monitoring of, or safety arrangements for, pumps or pumping installations specially adapted for elastic fluids characterised by using valves controlling pressure or flow rate, e.g. discharge valves or unloading valves using bypass channels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04C2210/00—Fluid
    • F04C2210/22—Fluid gaseous, i.e. compressible
    • F04C2210/224—Hydrogen (H2)

Definitions

  • the invention relates to a method and a compressor arrangement for compressing hydrogen produced by an electrolyzer.
  • Hydrogen produced by electrolysis is usually highly compressed for storage or transport, for example to a pressure between 600 bar and 700 bar above atmospheric pressure.
  • the invention deals with the initial compression starting from the pressure at which the hydrogen exits the electrolyzer to an outlet pressure that is higher and can be, for example, in the order of magnitude between 5 bar and 10 bar above atmospheric pressure.
  • further compression stages can follow, which can be designed as piston compressors, for example.
  • Liquid ring machines are well suited to conveying the water-containing mixture released by an electrolyzer and are cheaper to manufacture than, for example, piston compressors.
  • liquid ring machines have so far had poor energy efficiency, especially in partial load operation, which is the norm for electrolyzers using solar or wind energy. There are regularly longer operating phases in which the performance of the electrolyzer is well below the maximum output.
  • the invention is based on the object of presenting a method and a compressor arrangement for compressing hydrogen produced by electrolysis, with which these disadvantages are avoided.
  • the object is achieved with the features of the independent patent claims.
  • Advantageous embodiments are specified in the subclaims.
  • the hydrogen is compressed to an intermediate pressure using a first liquid ring machine.
  • the hydrogen is compressed from the intermediate pressure to an outlet pressure using a second liquid ring machine.
  • a backflow from the outlet side to the inlet side of the first liquid ring machine is permitted via a bypass line.
  • the inlet pressure on the inlet side of the first liquid ring machine is kept constant by changing the cross-section of the bypass line using an adjustable valve.
  • the hydrogen is compressed from the intermediate pressure to the outlet pressure without the intermediate pressure being kept constant.
  • the inlet pressure of the first liquid ring machine is regulated by adjusting the adjustable valve in the bypass line. Since the second liquid ring machine is not equipped with a bypass control and therefore the second liquid ring machine does not react quickly to changes in the intermediate pressure, the intermediate pressure drops when the bypass valve of the first liquid ring machine is opened.
  • the fluctuation of the intermediate pressure during operation of the compressor arrangement can be greater than 0.1 bar, preferably be greater than 0.2 bar, more preferably greater than 0.5 bar.
  • the fluctuation of the intermediate pressure is the difference between the highest value and the lowest value of the intermediate pressure in the continuous operation of the compressor arrangement consisting of the first liquid ring machine and the second liquid ring machine. The fluctuations are in particular a consequence of the fluctuating volume flow that is fed from the electrolyzer to the compressor arrangement.
  • the invention departs from the conventional approach in which pressure control for the input side of a liquid ring machine is carried out via a bypass line when the pressure on the output side of the liquid ring machine is also kept constant.
  • this normally means that the second liquid ring machine is also provided with a bypass line via which a backflow from the output side to the input side of the second liquid ring machine takes place.
  • the invention has recognized that backflow via the bypass line of the second liquid ring machine is a major reason for the unfavorable energy efficiency of a series connection of liquid ring machines and that in the first liquid ring machine, the possibility of pressure control via a bypass line during the compression of hydrogen can be used even if the pressure on the output side of the first liquid ring machine is subject to fluctuations.
  • An adjustable valve is arranged in the bypass line to regulate the backflow from the outlet side to the inlet side of the first liquid ring machine.
  • the adjustable valve can be continuously adjusted between an open state and a closed state.
  • the adjustable valve can be integrated into a control circuit in which the switching state of the valve is set depending on the pressure on the inlet side of the first liquid ring machine.
  • the control circuit can be set up in such a way that the adjustable valve closes further as the pressure on the inlet side of the first liquid ring machine increases and vice versa.
  • a buffer tank can be arranged between the outlet of the first liquid ring machine and the inlet of the second liquid ring machine.
  • the buffer tank can dampen short-term fluctuations in the intermediate pressure.
  • the buffer tank can, for example, have a volume of between 0.2 m 3 and 5 m 3 , preferably between 0.5 m 3 and 2 m 3 .
  • the buffer tank can simultaneously be used as a liquid separator to cut off liquid quantities contained in the volume flow coming from the first liquid ring machine. Separating liquid quantities can be returned to the first liquid ring machine, in particular to the liquid ring of the first liquid ring machine.
  • a check valve can be arranged between the outlet of the first liquid ring machine and the inlet of the second liquid ring machine to prevent a pressure increase in the second liquid ring machine from having a negative effect on the intermediate pressure.
  • the check valve can be arranged between the branch to the bypass line and the inlet of the second liquid ring machine.
  • the check valve can be arranged between the buffer tank and the inlet of the second liquid ring machine.
  • an upper limit is specified for the intermediate pressure.
  • An intermediate pressure that is too high is disadvantageous because the first liquid ring machine may then no longer be able to keep the pressure on the inlet side constant. This can in turn impair the electrolysis, which depends on the hydrogen being able to be transferred to the first liquid ring machine at a certain pressure.
  • a liquid ring machine that is optimized for lower outlet pressures but is limited in terms of the maximum outlet pressure can then also be used for the first compression stage.
  • the second liquid ring machine can be designed and operated in such a way that the upper limit for the intermediate pressure is not exceeded. In particular, the second liquid ring machine can be operated in such a way that the speed of the second liquid ring machine is increased in order to counteract an increase in the intermediate pressure beyond the upper limit.
  • One finding of the invention is that it can be an advantage if the intermediate pressure is not kept constant. A reduction in the intermediate pressure leads to energy savings in the first stage, but at the same time it must be ensured that the intermediate pressure does not become too low in order to maintain a control reserve for the bypass control and also to avoid cavitation in the second compressor. If the bypass line of the first liquid ring machine is opened, this very quickly leads to a reduction in the intermediate pressure. This reduction can only be compensated with a delay by reducing the speed of the second liquid ring machine. Since the intermediate pressure must never fall below a minimum value and the liquid ring machines always require a minimum speed to build up a stable liquid ring - these two values are also related - the intermediate pressure has always been used to date. a constant intermediate pressure when two liquid ring compressors were connected in series.
  • One way of keeping the intermediate pressure constant would be to also provide the second liquid ring machine with a bypass line that allows a backflow from the outlet side to the inlet side of the second liquid ring machine.
  • the intermediate pressure could be kept at a predetermined value. This is not provided for in the context of the invention because the energy efficiency of the compressor arrangement is impaired by a bypass line above the second liquid ring machine.
  • the compression of the hydrogen from the intermediate pressure to the outlet pressure can take place without allowing a backflow via a return line arranged between the outlet side and the inlet side of the second liquid ring machine.
  • the second liquid ring machine can be controlled in such a way that the energy consumption is kept low without exceeding the upper limit for the intermediate pressure. This procedure can be limited by a requirement that the permissible operating range of the second liquid ring machine must be adhered to.
  • a lower limit for the speed of the second liquid ring machine can be provided.
  • the lower speed limit can be based on the operating requirements of the second liquid ring machine.
  • the lower speed limit can be dimensioned in such a way that undesirable vibration conditions of the second liquid ring machine are avoided.
  • the functionality of the compressor arrangement as a whole is not impaired by the lower speed limit because it can be compensated by opening the valve in the bypass line of the first liquid ring machine more when the second liquid ring machine runs at a higher speed than would be necessary to maintain the intermediate pressure.
  • the energy efficiency can be further improved if the hydrogen is compressed from the intermediate pressure to the outlet pressure using a plurality of second liquid ring machines connected in parallel. This opens up the additional possibility of varying the number of second liquid ring machines used to compress from the intermediate pressure to the outlet pressure. If the output of a portion of the second liquid ring machines is sufficient to keep the intermediate pressure in the desired range, it is often more energy efficient to keep only this portion of the second liquid ring machines in operation and to switch off the other second liquid ring machines. In particular, depending on the current output of the electrolyzer, a portion of the second liquid ring machines can be switched off and the volume flow coming from the electrolyzer via the first liquid ring machine can be compressed with the other portion of the second liquid ring machines.
  • the compression from the intermediate pressure to the initial pressure can be carried out with at least two, preferably at least three, more preferably at least five second liquid ring machines connected in parallel.
  • the number of liquid ring machines that are subject to temporary shutdown can be variable. There can be operating states in which a single liquid ring machine is switched off and operating states in which only one liquid ring machine is still in operation. All operating states in between are also possible.
  • the control of the second compression stage i.e. the control of the second liquid ring machine or the majority of the second liquid ring machines, can be carried out by means of a Control (open loop) or a closed control loop (closed loop).
  • the control can depend on the power with which the electrolyzer is operated, on the position of the adjustable valve in the bypass line of the first liquid ring machine, on the intermediate pressure, on the speed of the first liquid ring machine and/or other parameters of the compressor arrangement.
  • the control can be carried out in such a way that a table is stored in a control unit responsible for the second compression stage, from which default values for the operation of the second compression stage can be read based on measured values about the current operating state of the compressor arrangement and in particular the power of the electrolyzer.
  • the control unit can be designed to send control commands to the second liquid ring machine or the second liquid ring machines, to set the operation according to the default values in the table.
  • the default values can be based on a state estimate of the compressor arrangement or on the basis of a simulation of a digital twin. In the case of a closed control loop, the default values can be determined directly based on measured values about the operating state of the compressor arrangement.
  • predictive control or regulation takes into account predictions about the future operating state of the electrolyzer. Predictions about the amount of renewable energy expected at a future point in time can be taken into account. An expectation for future amounts of wind energy or solar energy can, for example, be derived from a weather forecast.
  • the pressure at which the electrolyzer releases the hydrogen can be slightly above atmospheric pressure, for example between 0.1 bar and 0.3 bar higher than atmospheric pressure.
  • the intermediate pressure between the first compression stage and the second compression stage can be, for example, between 0.5 bar and 2 bar higher than atmospheric pressure.
  • the outlet pressure on the output side of the second compression stage can be, for example, between 6 bar and 12 bar higher than atmospheric pressure.
  • the second compression stage can be followed by one or more further compression stages with which the hydrogen is compressed to a pressure of at least 100 bar, preferably of at least 200 bar, more preferably of at least 500 bar above atmospheric pressure.
  • a liquid separator can be arranged between the second compression stage and a third compression stage in order to separate liquid quantities contained in the volume flow coming from the second liquid ring machine. Separating liquid quantities can be returned to the second liquid ring machine, in particular to the liquid ring of the second liquid ring machine.
  • the compressor arrangement can be designed for high hydrogen volume flows that are transferred from the electrolyzer to the first liquid ring machine.
  • the first liquid ring machine can be designed to accept a volume flow of at least 2000 m 3 /h, preferably a volume flow of at least 5000 m 3 /h, more preferably a volume flow of at least 10,000 m 3 /h from the electrolyzer.
  • the volume flow of hydrogen delivered by an electrolyzer often depends on the amount of renewable energy available to operate the electrolyzer. Since the amount of available renewable energy is known to be highly variable, it is advantageous if the compressor arrangement is designed to deliver highly fluctuating volume flows.
  • the compressor arrangement can be operated in such a way that the maximum volume flow is maintained over less than 20%, preferably less than 10%, more preferably less than 5% of the operating time. In other phases of the operating time, a small volume flow can be conveyed which is less than 50%, preferably less than 20%, more preferably less than 10% of the maximum volume flow.
  • the operating time in which a small volume flow is conveyed can make up at least 10%, preferably at least 20%, more preferably at least 50% of the total operating time.
  • adaptation to the fluctuating volume flows can be achieved by varying the number of second liquid ring machines put into operation.
  • the compressor arrangement can comprise exactly one liquid ring machine.
  • a quick response to a change in the volume flow supplied from the electrolyzer to the inlet of the first liquid ring machine can be achieved by adjusting the cross-section of the bypass line.
  • the pressure on the inlet side of the first liquid ring machine can be kept constant by operating the first liquid ring machine at variable speed.
  • the speed of the first liquid ring machine can be reduced so that less energy is consumed.
  • the operating limits of the first liquid ring machine should be observed, for example by maintaining a lower speed limit below which a stable Operation of the first liquid ring machine is no longer guaranteed.
  • the compressor arrangement can operate electrolyzers with a power of up to about 50 MW.
  • the compressor arrangement can operate electrolyzers with a power of up to about 50 MW.
  • several compressor arrangements can be operated in parallel. This opens up the possibility of varying the number of compressor arrangements used to compress hydrogen coming from the electrolyzer, which can make a further contribution to increasing energy efficiency.
  • the invention includes a compression system in which several compressor arrangements of the type described are connected to an electrolyzer.
  • the compression system can be operated in such a way that the number of compressor arrangements with which the hydrogen is compressed is varied depending on the volume flow supplied from the electrolyzer to the compression system.
  • the invention also relates to a compressor arrangement for compressing hydrogen produced by an electrolyzer, comprising a first liquid ring machine for compressing hydrogen supplied by the electrolyzer to an intermediate pressure, and a second liquid ring machine for compressing the hydrogen from the intermediate pressure to an outlet pressure.
  • a bypass line is provided between the outlet side and the inlet side of the first liquid ring machine in order to keep the inlet pressure on the inlet side of the first liquid ring machine constant.
  • the compressor arrangement is designed to compress the hydrogen from the intermediate pressure to the outlet pressure without the intermediate pressure being kept constant.
  • the disclosure includes further developments of the compressor arrangement with features that are described in connection with the method according to the invention.
  • the disclosure includes further developments of the method that are described in connection with the compressor arrangement according to the invention.
  • a compressor arrangement is shown which is connected to an electrolyzer 14. Hydrogen produced in the electrolyzer 14 is transferred to the compressor arrangement at an inlet pressure which may be, for example, 0.2 bar above atmospheric pressure. In the compressor arrangement, the hydrogen is compressed and discharged via an outlet line 32 at an outlet pressure of, for example, 10 bar above atmospheric pressure.
  • the electrolyzer 14 has a maximum output of 25 MW, which corresponds to a volume flow of hydrogen in the order of 5000 m 3 /h which is fed to the inlet of the compressor arrangement.
  • the compressor arrangement comprises a first compression stage with a first liquid ring machine 15 and a second compression stage with a second liquid ring machine 25.
  • the first liquid ring machine 15 and the second liquid ring machine 25 are connected in series.
  • the first liquid ring machine 15 compresses the hydrogen from the initial pressure to an intermediate pressure 20, which can be, for example, between 0.5 bar and 2 bar above atmospheric pressure.
  • the second liquid ring machine 25 compresses the hydrogen from the intermediate pressure 20 to the final pressure.
  • the first liquid ring machine 15 is driven by a motor 23, which in this embodiment is operated at a constant speed.
  • a bypass line 16 extends between the outlet side 21 and the inlet side 22 of the first liquid ring machine 15, which allows a backflow from the outlet side 21 to the inlet side 22.
  • the bypass line 16 is provided with an adjustable valve 17, which is continuously adjustable. The adjustable valve 17 changes the cross section of the bypass line 16, which is available for a backflow from the outlet side 21 to the inlet side 22.
  • the adjustable valve 17 is controlled by a control unit (not shown). The control is carried out depending on the inlet pressure 18, which is present on the inlet side 22 of the first liquid ring machine 15.
  • the control unit is designed to keep the inlet pressure 18 constant.
  • the control unit controls the adjustable valve 17 such that an increase in the inlet pressure is counteracted by an increase in the cross-section of the bypass line 16, and that a drop in the inlet pressure is counteracted by a reduction in the cross-section of the bypass line 16.
  • a buffer tank 19 with a volume of 0.5 m 3 is arranged between the first liquid ring machine 15 and the second liquid ring machine 25.
  • the buffer tank 19 dampens the fluctuations in the intermediate pressure 20 that result from the actuation of the adjustable valve 17.
  • the buffer tank 19 also serves as a liquid separator, with which liquid quantities are separated from the volume flow coming from the first liquid ring machine 15. The liquid quantities are returned to the liquid ring of the first liquid ring machine 15 via a heat exchanger 24.
  • the second liquid ring machine 25 at whose inlet 33 the intermediate pressure 20 is present, is driven by a variable speed motor 28, which is supplied with electrical energy via a converter 29 so that a desired speed is set.
  • a variable speed motor 28 which is supplied with electrical energy via a converter 29 so that a desired speed is set.
  • the volume flow is passed through a liquid separator 30. Liquid quantities separated from the volume flow are returned to the liquid ring of the second liquid ring machine 25 via a heat exchanger 27.
  • the control unit controls the inverter 29 in such a way that, on the one hand, the intermediate pressure 20 is kept in a range between 0.5 bar and 2 bar above atmospheric pressure and, on the other hand, the energy consumption is kept as low as possible.
  • the control unit takes into account the operating limits the second liquid ring machine 25 and does not, for example, reduce the speed to such an extent that the second liquid ring machine 25 begins to oscillate.
  • the control unit reads the relevant control commands for the inverter 29 from a table in which the control commands are stored as a function of parameters such as the power of the electrolyzer 14, the position of the adjustable valve 17 and the intermediate pressure 20.
  • the speed control of the second liquid ring machine 25 counteracts fluctuations in the intermediate pressure 20, but without compensating them completely.
  • the effect of actuation of the adjustable valve 17 on the intermediate pressure 20 is significantly faster than a subsequent change in the speed of the second liquid ring machine 25.
  • the speed control of the second liquid ring machine 25 is sufficient to keep the intermediate pressure 20 within a predetermined range, which can be, for example, between 0.5 bar and 2 bar above atmospheric pressure.
  • the reduced intermediate pressure 20 means that the first liquid ring machine 15 can demand a higher volume flow, which in turn leads to a falling inlet pressure 18 and the adjustable valve 17 being opened further.
  • a higher speed of the second liquid ring machine 25 therefore only leads to a higher energy consumption, without the electrolyzer 14 being affected by a change in the inlet pressure 18.
  • the converter 29 is operated in such a way that the speed of the second fluid machine 25 is kept as low as the operating state of the compressor arrangement allows.
  • Fig. 2 an alternative embodiment is shown in which the electrolyzer 14 has a maximum output of 50 MW, which corresponds to a volume flow of hydrogen of about 10,000 m 3 /h.
  • a first liquid ring machine 15 is provided on the first compression stage, which can convey this volume flow.
  • the second compression stage comprises two second liquid ring machines 25, 35, which are operated in parallel to one another.
  • the output line 32 of the compressor arrangement is followed by further compression stages, which Fig. 2 are schematically indicated as a block 36.
  • the hydrogen is compressed by the further compression stages 36 to a much higher pressure of, for example, 700 bar. At this pressure, the hydrogen is stored in a tank 37.
  • the two second liquid ring machines 25, 38 of the second compression stage are driven by motors 28, 38, both of which are controlled at variable speeds by a converter 29, 39. If the output of the electrolyzer 14 is close to the maximum output, both second liquid ring machines 25, 38 are operated in parallel and are controlled according to the same principles that are explained in connection with the embodiment in Fig. 1 described.
  • the control unit is provided with a further degree of freedom that can be used to increase energy efficiency. Instead of operating two second liquid ring machines 25, 35 at a very low speed, one of the two second liquid ring machines 25, 35 is operated at a higher speed.
  • the control unit reads the relevant control commands from a table based on parameters relating to the operating state of the compressor arrangement, in particular based on the current output of the electrolyzer 14.
  • the liquid ring machine 15 of the first compression stage is also driven by a variable speed drive 23, 34.
  • the speed of the first liquid ring machine 15 can be reduced. This leads to higher energy efficiency because the backflow through the bypass line 16 decreases.
  • the control unit controls the adjustable valve 17 and the inverter 34 accordingly, whereby the control can take place depending on various parameters of the operating state, in particular depending on the current output of the electrolyzer 14.
  • a compressor arrangement 40 which comprises a single liquid ring machine 15 on the first compression stage 46 and which comprises five second liquid ring machines 41, 42, 43, 44, 45 connected in parallel to one another on the second compression stage 47. Due to the plurality of second liquid ring machines 41, 42, 43, 44, 45, which can be started up or switched off independently of one another, it is possible to finely adjust the compression power available on the second compression stage 47 to the current power of the electrolyzer.
  • the electrolyzer 14 has a higher maximum output of, for example, 250 MW.
  • a compressor system is connected to the electrolyzer 14, in which five of the Fig. 3 shown compressor arrangements 40 can be operated in parallel with one another. Since the compressor arrangements 40 can be started up or stopped individually from one another and since the liquid ring machines of the second compression stage 47 in each compressor arrangement can also be started up or stopped individually from one another, the compressor system can be tuned even more finely to the current performance of the electrolyzer 40, which enables a further increase in energy efficiency.

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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.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Kompressorenanordnung zum Komprimieren von mit einem Elektrolyseur erzeugtem Wasserstoff.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Auf der zweiten Kompressionsstufe kann die Anpassung an die schwankenden Volumenströme dadurch erfolgen, dass die Anzahl der in Betrieb genommenen zweiten Flüssigkeitsringmaschinen variiert wird.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (12)

  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.
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