WO2016012061A1 - Elektrolysesystem - Google Patents

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WO2016012061A1
WO2016012061A1 PCT/EP2014/078195 EP2014078195W WO2016012061A1 WO 2016012061 A1 WO2016012061 A1 WO 2016012061A1 EP 2014078195 W EP2014078195 W EP 2014078195W WO 2016012061 A1 WO2016012061 A1 WO 2016012061A1
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WO
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voltage
bridge rectifier
electrolyzer
rectifier
electrolysis system
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PCT/EP2014/078195
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English (en)
French (fr)
Inventor
Günter HEID
Peter Michael HOLZAPFEL
Thomas PFLUGFELDER
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Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output
    • H02M7/02—Conversion of AC power input into DC power output without possibility of reversal
    • H02M7/04—Conversion of AC power input into DC power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/12—Conversion of AC power input into DC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/21—Conversion of AC power input into DC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/217—Conversion of AC power input into DC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/02—Process control or regulation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/60—Constructional parts of cells
    • C25B9/65—Means for supplying current; Electrode connections; Electric inter-cell connections

Definitions

  • Electrolysis system The invention relates to an electrolysis system comprising an electrolyser and an electrolyzer connected to the rectifier unit for supplying the electrolyzer with egg ⁇ nem direct current.
  • Electrolyzers are used by means of a direct current, a ⁇ called electrolytic conversion of materials such as to bring about a decomposition of water into hydrogen and oxygen.
  • An electrolysis system of the above type is usually connected to an alternating voltage network.
  • the rectifier unit makes it possible to generate a direct current from an alternating current, which is provided by the alternating voltage network, with which the electrolyzer can be supplied for the purpose of carrying out an electrolysis.
  • a network operator of the alternating voltage network incurs high costs, for example because the network operator has to couple devices for reactive power compensation to the AC voltage network in order to reduce network load and / or thermal energy losses.
  • An operator of the electrolysis system can also incur high costs, in particular if he has to pay the grid operator not only for a real active power, but also for the reactive power fed into the AC power grid.
  • An object of the invention is to provide a cost-saving electro ⁇ lysis system.
  • the DC ⁇ inverter unit comprises a series circuit of a first rectifier bridge and a second bridge rectifier in which.
  • the invention proceeds from the consideration that the geb syndromech- lichste form of a rectifier is a so-called bridges ⁇ rectifiers.
  • An advantage of a bridge rectifier is that it uses both a negative and a positive half-wave of an AC voltage for rectification. Unlike a midpoint rectifier, a bridge rectifier does not require a costly medium voltage tapped transformer.
  • the invention proceeds from the realization that an electrolytic system of the type mentioned, in which the rectifier unit comprises only a single bridge rectifier, during its operation connected Wech ⁇ sellaysnetz strong consequently charged a with harmonics and with a harmonic reactive power. Furthermore, with such a rectifier unit, under certain circumstances specifications of the network operator for the maximum permissible harmonic load of the AC voltage network can not be met. In order to reduce the harmonic load and hence the load reactive power, it is advantageous if the rectifier unit of at least two ⁇ bridge rectifier.
  • the invention of the finding is that, in the case that the rectifier unit comprises a series arrangement of two rectifiers, the electrolysis system during its operation, a lower reactive power generated than in the case that the rectifier unit comprises a parallel ⁇ circuit of two bridge rectifiers.
  • the electrolysis system of the invention thus causes a small reactive power load on the AC power system, making the composites ⁇ nen with the operation of the electrolysis system costs can be reduced.
  • a network operator can save costs, since due to the low reactive power load of the AC mains by the
  • Electrolysis system transformers and / or devices for reactive power compensation smaller than previously customary dimensions can be. Further, a energieef ⁇ fizienter operation of the electrolysis system is made possible by the low reactive power load on the AC voltage network.
  • the first bridge rectifier may comprise at least one switching element, in particular a controllable scarf Tele ⁇ ment and / or at least one diode.
  • the second bridge rectifier may comprise at least one switching element, the special ⁇ a controllable switching element, and / or at least one diode.
  • each of the two bridge rectifiers comprises a plurality of controllable
  • the two bridge rectifiers of the rectifier unit can be controllable rectifiers.
  • the rectifying means ⁇ uniform, a current strength of a current through the electrolyzer to a predetermined f trip- the Strömstarwert technicallystel ⁇ len, particularly, to a current value which is in a ⁇ be vorzugten working area of the electrolyzer.
  • the first bridge rectifier comprises a plurality of controllable switching elements
  • the second bridge rectifier comprises a plurality of diodes. That is, the first bridge rectifier ⁇ judge the rectifier unit can be a controllable DC be the judge and the second bridge rectifier of the rectifier unit can be a diode rectifier.
  • a rectifier unit also makes it possible to set a current intensity of a current flowing through the electrolyzer to a predefinable current value, which in particular in the preferred operating range of the
  • Electrolyzer is located. Due to a non-linear current-voltage characteristic of the electrolyzer, it is principally composed ⁇ sufficient if only one of the two B Wegenieichrichter tax has newable switching elements to the current intensity of the current flowing through the electrolyser current decisstel ⁇ len to a current value in the preferred operating range of the electrolyzer.
  • the controllable switching elements of the first and / or the second bridge rectifier are thyristors.
  • other semiconductor devices such as IGBTs (insulated-gate bipolar transistors) or MOSFETs (metal oxide-semiconductor field-effect transistors) may be provided as controllable switching elements of the first and / or the second bridge rectifier.
  • the electrolysis system may be provided for connection to a single-phase AC mains.
  • the two bridge rectifiers are expediently designed as a 2-pulse rectifier.
  • the electrolysis system is provided for connection to a three-phase alternating voltage network.
  • the two bridge rectifiers are expediently designed as a 6-pulse rectifier. That is, the series ⁇ circuit can form a 12-pulse series circuit. Furthermore, the series circuit may in principle comprise one or more additional bridge rectifiers. Consequently, the series connection can form a higher-pulse series circuit, such as an 18-pulse series circuit or 24-pulse series circuit.
  • the electrolyzer usefully has an anode. Au ⁇ ßerdem, the electrolyzer makes sense on a cathode.
  • the first bridge rectifier is connected to the cathode of the electrolyzer.
  • the second bridge rectifier is preferably connected to the anode of the electrolyzer.
  • the electrolysis system includes a Trans ⁇ formator, in particular a three-phase transformer. It is also expedient if the electrolysis system comprises a mains connection line for connecting the transformer to an AC voltage network, in particular a three-phase AC voltage network.
  • the alternating voltage network can be, for example, a medium-voltage network.
  • the switch makes it possible to disconnect the electroly ⁇ sesystem after its connection to the AC voltage network as needed from the AC voltage network and re-connect to the AC voltage network.
  • the transformer is designed as a 3-winding transformer.
  • the transformer have preferably ⁇ , a high-voltage system, a first low voltage system and a second low-voltage system.
  • the power cord is connected to the upper voltage system. Furthermore, it is expedient if the first under-voltage system is connected to the first bridge rectifier. It is also expedient if the second under-voltage system is connected to the second bridge rectifier.
  • the upper voltage system may include one or more high voltage windings.
  • the two sub-voltage systems can each have one or more undervoltage windings .
  • the upper voltage system and the two lower voltage systems each have three windings.
  • Ei ⁇ ne advantageous embodiment of the invention provides that the individual windings of the respective voltage system are interconnected causing a phase shift between a lower-side outer conductor voltage and a high-voltage side outer conductor voltage.
  • ⁇ ßigerweise the phase shift is an integral multiple of 30 °.
  • a phase shift of 0 ° or 30 ° can also be considered as an integer multiple of 30 °.
  • An external conductor voltage can be understood as a voltage between two external conductors of the respective voltage system.
  • a voltage between two outer conductors of the upper voltage system can be understood as the upper-voltage side outer conductor voltage.
  • a voltage between two outer conductors of the first and of the second undervoltage system can be understood as the low-side-side outer conductor voltage.
  • the individual windings of the respective voltage system can be interconnected causing a first phase shift between an outer conductor voltage of the first lower-voltage system and ei ⁇ ner upper-voltage-side outer conductor voltage.
  • the individual windings of the respective voltage system can send a second phase shift between a phase voltage of the second voltage system and the devisitatisseiti ⁇ gen-phase voltage are effecting interconnected. In this way, the reactive power that is the electrolyzer is generated, the ⁇ further reduced.
  • the first and the second phase shift may be identical or different from one another, in particular different multiples of 30 °.
  • the windings of the first undervoltage system can be interconnected, for example, in a star connection. Furthermore, the windings of the second under-voltage system can be interconnected eg in a delta connection. Conversely, it is possible for the windings of the first under-voltage system to be interconnected in a delta connection. Furthermore, it is possible for the windings of the second under-voltage system to be interconnected eg in a star-type circuit .
  • first bridge rectifier is expediently connected to the first under-voltage system of the transformer by means of a first transformer connecting line.
  • second bridge rectifier is connected via a second transformer connection ⁇ line to the second low voltage system of the transformer.
  • each of the two transformer connection lines comprises a switch, by means of which the respective bridge rectifier is separable from the transformer. This can be achieved that the
  • Bridge rectifier can be separated separately from the transformer.
  • each of the two transformer leads may include an electrical fuse or a parallel connection of multiple electrical fuses.
  • the second bridge rectifier is connected to at least one capacitor on the alternating voltage side. It is further expedient if the capacitor is connected to the second under-voltage system of the transformer.
  • the capacitor can be used to receive an electrical power from the AC mains and / or to feed it into the AC mains, in particular for the purpose of reducing a reactive power in the AC voltage. voltage grid.
  • the second bridge rectifier is connected to the AC side with three capacitors.
  • the electrolysis system has a control unit.
  • the control unit in turn may comprise a ramp-function generator.
  • the STEU ⁇ erritt is adapted to control the switching elements of the rectifier unit.
  • the Steuerein ⁇ ness may be adapted to control the switching states Heidelbergelemen ⁇ te.
  • control unit can be designed as a control. That is, the control unit may have a feedback feedback.
  • the control unit can be used in particular to regulate the direct current with which the electrolyzer is supplied. In this case, for example, the method of so-called phase control can be used.
  • the electrolysis system comprises at least egg ⁇ NEN AC converter for detecting a current intensity of an alternating current with which the first bridge rectifier provides comparable is.
  • the AC converter is connected to the control unit.
  • the electrolysis system may include a DC-DC converter for determining a DC current that is generated by the series connection. It makes sense to connect the DC-DC converter to the control unit.
  • the rectifier unit comprises a further series connection of two bridge rectifiers.
  • the further series circuit is connected to the electrolyzer.
  • the further series connection for the series connection of the first bridge rectifier and second bridge rectifier Bridge rectifier is connected in parallel.
  • one of the two bridge rectifiers of the further series connection is connected to the first under-voltage system of the transformer. Furthermore, it is expedient if this bridge rectifier is configured identically to the first bridge rectifier of the first-mentioned series circuit.
  • the aforementioned control unit is adapted to said bridge rectifier ⁇ ter the further series circuit or its controllable
  • the other of the two bridge rectifiers of the further series connection is preferably connected to the second under-voltage system of the transformer.
  • the latter bridge rectifier is expediently configured identically to the second bridge rectifier of the first-mentioned series connection.
  • the electrolysis system comprises a first Lei ⁇ accounting system which is connected to the first-mentioned series circuit. Furthermore, electrolysis system expediently comprises a second line system, which is connected to the further series connection. Conveniently, the two Lei ⁇ systems are resistive. In particular, both line systems may have the same ohmic resistances. Except ⁇ said series circuit and the other series circuit are advantageously connected to each other at the electrolyser, especially at both the anode and at the cathode.
  • the invention relates to a method for operating an electrolysis system, in which an electrolyzer with a rectifier unit is supplied with a direct current.
  • this electrolysis system may be, in particular, the inventive electrolysis system or ei ⁇ ner of its developments described above.
  • the direct current is generated by means of a series circuit comprising a first bridge rectifier and a second bridge rectifier.
  • sense electrolyzer is part of the Elect ⁇ rolysesystems.
  • rectifier unit is useful as a ⁇ full components of the electrolysis system.
  • the first bridge rectifier ⁇ judge is thereby driven such that the direct current having a predetermined current intensity. It makes sense to drive the first bridge rectifier or its controllable switching elements by means of a control unit.
  • the rectifier unit is expediently supplied with an alternating voltage.
  • the rectifier unit is supplied with the AC voltage using a transformer.
  • the AC voltage is adjusted by means of the transformer so that an electric power that is converted by the electrolyzer, over a predetermined period of operation of ⁇ electrolyzer and / or at varying Be ⁇ operating temperature of the electrolyzer constant or essential ⁇ is kept constant.
  • the first bridge rectifier is connected to the transformer by means of a switch.
  • the first bridge rectifier is controlled such that a direct current is generated by the series circuit whose current is increased according to a predetermined function, in particular starting at zero.
  • the amperage of the DC current is increased until the electrolyzer by a current having a predetermined current value flows and / or bears a predetermined voltage at the electrolyzer.
  • the second bridge rectifier ⁇ judge is then connected to the transformer by means of a further switch.
  • the first bridge rectifier is expediently controlled in such a way that a voltage applied to the electrolyzer is kept constant.
  • the first bridge rectifier is advantageously controlled in such a way that the current intensity of the direct current generated by the series circuit drops below a predetermined current value.
  • the second bridge rectifier is subsequently separated from the transformer by means of the further switch.
  • the first bridge rectifier is expediently set in a blocking state.
  • the first bridge rectifier is disconnected using the switch from the Trans ⁇ formator then.
  • the electrolysis system according to the invention in particular one of its developments described above, can be used inter alia for power stabilization in an AC voltage network.
  • an active power in the AC power supply system is kept below a predetermined power limit, in particular in times when de ⁇ NEN a force factory exceeds the alternating voltage network fed-in active power, a consumer side unreacted active ⁇ performance.
  • the electrolysis ⁇ system expediently an active power from the alternating ⁇ pan Vietnamesesnetz on. It is also expedient if a DC power is generated by means of the rectifier unit using this active power.
  • the direct current power in turn can be used to carry out an electrolysis process by means of the electrolyzer.
  • FIG. 1 shows an electrolysis system with a rectifier unit, which comprises two series circuits of two bridge rectifiers with controllable switching elements;
  • FIG. 2 shows another electrolysis system with a rectifier unit, which comprises two series circuits, each of which is a bridge rectifier with controllable switching elements and a bridge rectifier with diodes.
  • the electrolysis system 2 includes an electrolyzer with an anode 4 and a cathode 6 8 further comprises Elect ⁇ rolysesystem 2, connected to the electrolyzer 4
  • Rectifier unit 10 for supplying the electrolyzer 4 with a direct current.
  • the electrolysis system 2 comprises a transformer 12, through which the electrolyzer 4 is coupled to an AC voltage network 14. In the present embodiment, it is in the AC ⁇ network 14 to a three-phase medium-voltage network.
  • the rectifier unit 10 comprises a first series scarf ⁇ tung 16 of a first bridge rectifier 18 and a second bridge rectifier 20 and a second series circuit 22 of a third bridge rectifier 24 and a fourth bridge rectifier 26. Both series circuits 16, 22 are connected to the electrolyzer 4 and connected in parallel with each other.
  • the first and the third bridge rectifiers 18, 24 are each connected by an electrolyzer connecting line 28 to the cathode 8 of the electrolyzer 4, wherein the electrolyzer connecting lines 28 are connected to each other at the cathode 8.
  • the second and the fourth bridge rectifiers 20, 26 each through an electrolytic uranium-circuit line 30 to the anode 6 of the electrolyzer 4 ver ⁇ connected, the latter electrolysis uranium circuit lines 30 are connected to each other at the anode. 6
  • first and the second bridge rectifier 18, 20 are connected to each other by a connecting line 32.
  • third and the fourth bridge rectifier 24, 26 are connected to each other by a further connecting line 34.
  • the four bridge rectifier 18, 20, 24, 26 are configured as a 6-pulse rectifier and in each case comprise three parallel-connected phase legs 36.
  • Each of these Pha ⁇ senzweige 36 comprises two mutually series-connected steu ⁇ newable switching elements 38. That is, the four bridges ⁇ rectifiers 18, 20, 24, 26 are controllable rectifier.
  • the controllable switching elements 38 are thyristors.
  • each of the phase branches 36 is connected between its controllable switching elements 38 with a connection string 40.
  • the transformer 12 is configured as a 3-winding transformer having a top voltage system 42 and a first undervoltage system 44 and a second undervoltage system 46, each of these three
  • Voltage systems 42, 44, 46 each comprises three windings.
  • the upper voltage system 42 of the transformer 12 is connected to the AC voltage network 14 through a three-phase power supply line 48.
  • the power supply line 48 includes a switch 50, by means of which the transformer 12 can be disconnected from the AC voltage network 14 and reconnected to the AC voltage network 14.
  • the switch 50 has a ground connection 52, by means of which the upper voltage system 42 can be set to ground potential when the transformer 12 is disconnected from the AC voltage network 14.
  • the first under-voltage system 44 is connected to a first transformer connecting line 54 and the second under-voltage system 46 is connected to a second transformer connecting line 56.
  • Both Transformatoran gleichlei ⁇ obligations 54, 56 each comprise three phase lines 58th
  • each of the three phase lines 58 of the first transformer connecting line 54 has two branches 60, one of which can be connected to the first bridge rectifier 18 and the other can be connected to the third bridge rectifier 24.
  • each of the three phase lines 58 of the second transformer connection line 56 has two branches 60, one of which can be connected to the second bridge rectifier 20 and the other can be connected to the fourth bridge rectifier 26.
  • each of the branches 60 comprises a parallel ⁇ circuit by two individual wires 62, each having a fuse 64.
  • the branches 60 al ⁇ ternatively each comprise a parallel connection of more than two individual wires 62 or only a single individual wire 62 .
  • each of the branches 60 in each case comprises a switch 66, by means of which the respective branch 60 can be connected to or separated from one of the phase strands 40.
  • the electrolysis system 2 has a control unit 68 with an integrated ramp-function generator, wherein the control unit 68 is designed in particular as a control. By means of the control unit 68, switching states of the switching elements 38 are controlled.
  • control unit 68 is used to regulate a direct current, with which the electrolyzer 4 is supplied by the rectifier unit 10.
  • the electrolysis system 2 has two AC converters 70 and a DC converter 72.
  • the AC converters 70 are arranged on different phase lines 58 of the first transformer connecting line 54. Is disposed whereas the DC-DC converter 72 to the connection line 32 through which the first Brü ⁇ cken SharePointrichter 18 is connected to the second bridge rectifier 20th
  • the current transformers 70, 72 are connected to the control unit 68.
  • the ac converters 70 are each used to determine an amperage of an alternating current flowing through the respective phase line 58 of the first transformer lead 54.
  • the DC ⁇ converter 72 is used to determine a current value of a through the connection line 32 through which the first bridge rectifier 18 connected to the second bridge rectifier 20, DC current flowing.
  • the lines connected to the first series circuit 16 and the lines corresponding to them which are connected to the second series circuit 22 have the same ohmic resistances.
  • the connected to the ers ⁇ th sub-voltage system 44 lines and the corresponding lines which are connected to the second low voltage system 46 like ohmic resistors. This allows equal DC currents to flow through the two series circuits 16, 22 when the controls 38 of the first series circuit 16 and the control elements 38 of the second series circuit 22 are driven synchronously or at a predetermined time interval.
  • the electrolysis system 2 is used for power stabilization in the AC voltage network 14. In the butterstabili ⁇ tion an active power is maintained in the alternating voltage network 14 below a predetermined power limit. For this purpose, the electrolysis system 2 receives an active power from the AC voltage network 14. Using this active power, DC power is generated by the rectifier unit 10. The DC power in turn is used to carry out an electrolysis process by means of the electrolyzer 4.
  • the rectifier unit 10 is supplied with an AC voltage using the transformer 12.
  • the controllable switching elements 38 of the bridge rectifier 18, 20, 24, 26 ei ⁇ ne electrical power, which is converted by the electrolyzer 4 set to a predetermined power value.
  • ⁇ at the controllable switching elements 38 from the control unit 68 are controlled in such a way that the direct current having a given before ⁇ current.
  • the change of tension ⁇ voltage with which the rectifier unit 10 is supplied is with- help of the transformer 12 set such that the electric power is converted by the electrolyzer, a predetermined accumulated operation time of the electric ⁇ lyseurs 4 of time and at varying operating temperature the electrolyzer 4 is kept substantially constant.
  • FIG. 2 shows a circuit diagram of another electrolysis system 74.
  • the following description is in Wesent ⁇ union on the differences from the previous execution ⁇ example, reference is made to remain the same features and functions. Like reference numerals are used in the two figures, these strainszei ⁇ chen designate like or corresponding elements substantially.
  • the further electrolysis system 74 from FIG. 2 differs from the electrolysis system 2 from FIG. 1 in that the second and the fourth bridge rectifier 20, 26
  • Diode rectifier are and thus have instead of the controllable switching elements diodes 76. That is, only the first and third bridge rectifiers 18, 24 are controllable rectifiers. Accordingly, only the first and the third bridge rectifier 18, 24, more precisely their control elements 38, are controlled by the control unit 68.
  • the further electrolysis system 74 comprises three capacitors 78. These are each connected to one of the phase lines 58 of the second transformer connecting line 56. Thus, the capacitors 78 are connected to the second and fourth bridge rectifiers 20, 26 and to the second under voltage system 46 of the transformer 12. The capacitors 78 are used to reduce a reactive power in the AC voltage network 14 by the capacitors 78 receive an electrical power from the AC voltage network 14 and / or feed into the AC voltage network 14.
  • the individual windings of the respective voltage system 42, 44, 46 of the transformer 12 are interconnected causing a first phase shift between an outer conductor voltage of the first lower-voltage system 44 and an outer conductor voltage of the upper-voltage system 42.
  • the individual windings of the respective voltage system 42, 44, 46 are interconnected causing a second phase shift between an outer conductor voltage of the second lower-voltage system 46 and an outer conductor voltage of the upper-voltage system 42.
  • the first phase shift is 0 ° and the second phase shift is 30 °.
  • the first and third bridge rectifier 18, 24 For connecting the electrolyzer 4 to the AC mains ⁇ 14 are the first and third bridge rectifier 18, 24 using the switch 66 of the first Transformatoran- End line 54 connected to the transformer 12.
  • the first and the third bridge rectifier 18, 24 are driven in such a way that a direct current is generated by both series circuits 16, 22, the current strength is increased GE increasing starting from zero to a predetermined function until by the electrolyzer 4 a current with a predetermined current flows.
  • the second and the fourth bridge rectifier 20, 26 by means of
  • the first and third bridge rectifiers 18, 24 are driven such that the voltage present at 4 electrolyzer voltage is kept constant ge ⁇ .
  • the first and third bridge rectifier 18, 24 controlled such that the current intensity of the litis from each ⁇ series circuit 16, 22 generated DC current falls below a predetermined current value.
  • the advertising of the second and fourth bridge rectifiers 20, 26 of the switch 66 of the second transformer connection line 56 using ⁇ separated from the transformer 12th In this way, the first and the third bridge rectifier 18, placed in a blocking state 24, in particular in that the direct currents fall below a holding current threshold of the thyristors from ⁇ .
  • the first and the third bridge rectifiers 18, 24 are disconnected from the transformer 12 by means of the switches 66 of the first transformer connecting line 54.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Elektrolysesystem (2; 74), welches einen Elektrolyseur (4) sowie eine mit dem Elektrolyseur (4) verbundene Gleichrichtereinheit (10) zum Versorgen des Elektrolyseurs (4) mit einem Gleichstrom aufweist. Um ein kostensparendes Elektrolysesystem (2; 74) der oben genannten Art zu erreichen, wird vorgeschlagen, dass die Gleichrichtereinheit (10) eine Reihenschaltung (16) von einem ersten Brückengleichrichter (18) und einem zweiten Brückengleichrichter (20) umfasst.

Description

Beschreibung
Elektrolysesystem Die Erfindung betrifft ein Elektrolysesystem, welches einen Elektrolyseur sowie eine mit dem Elektrolyseur verbundene Gleichrichtereinheit zum Versorgen des Elektrolyseurs mit ei¬ nem Gleichstrom aufweist. Elektrolyseure werden dazu verwendet, mithilfe eines Gleich¬ stroms eine als Elektrolyse bezeichnete StoffUmwandlung, wie z.B. eine Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff, herbeizuführen . Ein Elektrolysesystem der oben genannten Art ist üblicherweise an ein Wechselspannungsnetz angeschlossen. Die Gleichrichtereinheit ermöglicht es, aus einem Wechselstrom, der vom Wechselspannungsnetz bereitgestellt wird, einen Gleichstrom zu erzeugen, mit welchem der Elektrolyseur zum Zwecke der Durchführung einer Elektrolyse versorgt werden kann.
Solche Elektrolysesysteme erzeugen während ihres Betriebs ho¬ he Blindleistungen im Wechselspannungsnetz. Hohe Blindleistungen im Wechselspannungsnetz führen zu einer Netzbelastung und bewirken thermische Energieverluste, welche auf Blind¬ ströme zurückzuführen sind.
Durch den Betrieb eines solchen Elektrolysesystems entstehen einem Netzbetreiber des Wechselspannungsnetzes hohe Kosten, z.B. weil der Netzbetreiber zur Verringerung der Netzbelastung und/oder der thermischen Energieverluste Vorrichtungen zur Blindleistungskompensation an das Wechselspannungsnetz koppeln muss. Einem Betreiber des Elektrolysesystems können ebenfalls hohe Kosten entstehen, insbesondere wenn dieser ge- genüber dem Netzbetreiber nicht nur für eine bezogene Wirkleistung, sondern auch für die in das Wechselspannungsnetz eingespeiste Blindleistung aufkommen muss. Eine Aufgabe der Erfindung ist, ein kostensparendes Elektro¬ lysesystem bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Elektrolysesystem der eingangs genannten Art, bei dem erfindungsgemäß die Gleich¬ richtereinheit eine Reihenschaltung von einem ersten Brückengleichrichter und einem zweiten Brückengleichrichter umfasst.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass die gebräuch- lichste Form eines Gleichrichters ein sogenannter Brücken¬ gleichrichter ist. Ein Vorteil eines Brückengleichrichters ist, dass dieser sowohl eine negative als auch eine positive Halbschwingung einer Wechselspannung zur Gleichrichtung verwendet. Anders als ein Mittelpunktgleichrichter benötigt ein Brückengleichrichter hierbei keinen kostspieligen Transformator mit Mittelspannungsanzapfung.
Weiter geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass ein Elektrolysesystem der eingangs genannten Art, bei dem die Gleichrichtereinheit nur einen einzigen Brückengleichrichter umfasst, während seines Betriebs ein angeschlossenes Wech¬ selspannungsnetz stark mit Oberwellen und folglich mit einer Oberwellenblindleistung belastet. Ferner können mit solch einer Gleichrichtereinheit unter Umständen Vorgaben des Netzbe- treibers zur maximal zulässigen Oberwellenbelastung des Wechselspannungsnetzes nicht eingehalten werden. Zur Reduzierung der Oberwellenbelastung und folglich der Blindleistungsbelastung ist es vorteilhaft, wenn die Gleichrichtereinheit zumin¬ dest zwei Brückengleichrichter umfasst.
Außerdem geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass in dem Fall, dass die Gleichrichtereinheit eine Reihenschaltung von zwei Brückengleichrichtern umfasst, das Elektrolysesystem während seines Betriebs eine geringere Blindleistung erzeugt als in dem Fall, dass die Gleichrichtereinheit eine Parallel¬ schaltung von zwei Brückengleichrichtern umfasst. Das erfindungsgemäße Elektrolysesystem verursacht somit eine geringe Blindleistungsbelastung des Wechselspannungsnetzes, wodurch die mit dem Betrieb des Elektrolysesystems verbunde¬ nen Kosten reduziert werden können. Insbesondere kann ein Netzbetreiber Kosten sparen, da aufgrund der geringen Blindleistungsbelastung des Wechselspannungsnetzes durch das
Elektrolysesystem Transformatoren und/oder Vorrichtungen zur Blindleistungskompensation kleiner als bisher üblich dimensioniert werden können. Ferner wird durch die geringe Blind- leistungsbelastung des Wechselspannungsnetzes ein energieef¬ fizienter Betrieb des Elektrolysesystems ermöglicht.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Elektrolysesystems sind jeweils Gegenstand abhängiger Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Grundsätzlich kann der erste Brückengleichrichter zumindest ein Schaltelement, insbesondere ein steuerbares Schaltele¬ ment, und/oder zumindest eine Diode umfassen. Ferner kann der zweite Brückengleichrichter zumindest ein Schaltelement, ins¬ besondere ein steuerbares Schaltelement, und/oder zumindest eine Diode umfassen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst jeder der beiden Brückengleichrichter mehrere steuerbare
Schaltelemente. Das heißt, die beiden Brückenieichrichter der Gleichrichtereinheit können steuerbare Gleichrichter sein. Zweckmäßigerweise ermöglicht eine solche Gleichrichterein¬ heit, eine Stromstärke eines durch den Elektrolyseur fließen- den Stroms auf einen vorgegebenen Strömstärkewert einzustel¬ len, insbesondere auf einen Stromstärkewert, der in einem be¬ vorzugten Arbeitsbereich des Elektrolyseurs liegt.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst der erste Brückengleichrichter mehrere steuerbare Schaltelemente, wohingegen der zweite Brückengleichrichter mehrere Dioden umfasst. Das heißt, der erste Brückengleich¬ richter der Gleichrichtereinheit kann ein steuerbarer Gleich- richter sein und der zweite Brückengleichrichter der Gleichrichtereinheit kann ein Diodengleichrichter sein. Zweckmäßigerweise ermöglicht auch eine solche Gleichrichtereinheit, eine Stromstärke eines durch den Elektrolyseur fließenden Stroms auf einen vorgebbaren Stromstärkewert einzustellen, welcher insbesondere im bevorzugten Arbeitsbereich des
Elektrolyseurs liegt. Aufgrund einer nicht linearen Strom- Spannungskennlinie des Elektrolyseurs ist es prinzipiell aus¬ reichend, wenn nur einer der beiden Brückenieichrichter steu- erbare Schaltelemente aufweist, um die Stromstärke des durch den Elektrolyseur fließenden Stroms auf einen Stromstärkewert im bevorzugten Arbeitsbereich des Elektrolyseurs einzustel¬ len . Vorzugsweise sind die steuerbaren Schaltelemente des ersten und/oder des zweiten Brückengleichrichters Thyristoren. Alternativ können andere Halbleiterbauelemente, wie z.B. IGBTs (insulated-gate bipolar transistors) oder MOSFETs (metal- oxide-semiconductor field-effect transistors) , als steuerbare Schaltelemente des ersten und/oder des zweiten Brückengleichrichters vorgesehen sein.
Das Elektrolysesystem kann zum Anschließen an ein einphasiges Wechselspannungsnetz vorgesehen sein. In diesem Fall ist es zweckmäßig, wenn die beiden Brückengleichrichter zweckmäßigerweise als 2-Puls-Gleichrichter ausgestaltet sind.
Bevorzugterweise ist das Elektrolysesystem zum Anschließen an ein dreiphasiges Wechselspannungsnetz vorgesehen. In diesem Fall sind die beiden Brückengleichrichter zweckmäßigerweise als 6-Puls-Gleichrichter ausgestaltet. Das heißt, die Reihen¬ schaltung kann eine 12-Puls-Reihenschaltung ausbilden. Weiterhin kann die Reihenschaltung prinzipiell einen oder mehrere zusätzliche Brückengleichrichter umfassen. Folglich kann die Reihenschaltung eine höherpulsige Reihenschaltung, wie z.B. eine 18-Puls-Reihenschaltung oder 24-Puls- Reihenschaltung ausbilden. Der Elektrolyseur weist sinnvollerweise eine Anode auf. Au¬ ßerdem weist der Elektrolyseur sinnvollerweise eine Kathode auf. In bevorzugter Weise ist der erste Brückengleichrichter mit der Kathode des Elektrolyseurs verbunden. Des Weiteren ist der zweite Brückengleichrichter vorzugsweise mit der Ano¬ de des Elektrolyseurs verbunden.
Zweckmäßigerweise umfasst das Elektrolysesystem einen Trans¬ formator, insbesondere einen Dreiphasentransformator. Weiter ist es zweckmäßig, wenn das Elektrolysesystem eine Netzanschlussleitung zum Anschließen des Transformators an ein Wechselspannungsnetz, insbesondere einen dreiphasigen Wechselspannungsnetz, umfasst. Das Wechselspannungsnetz kann z.B. ein Mittelspannungsnetz sein.
Es ist vorteilhaft, wenn die Netzanschlussleitung einen
Schalter aufweist. Der Schalter ermöglicht es, das Elektroly¬ sesystem nach dessen Anschluss an das Wechselspannungsnetz bei Bedarf aufwandsgünstig vom Wechselspannungsnetz zu tren- nen und wieder mit dem Wechselspannungsnetz zu verbinden.
Vorteilhafterweise ist der Transformator als 3-Wicklungs- Transformator ausgestaltet. Der Transformator weist vorzugs¬ weise ein Oberspannungssystem, ein erstes Unterspannungssys- tem und ein zweites Unterspannungssystem auf.
Zweckmäßigerweise ist die Netzanschlussleitung an das Oberspannungssystem angeschlossen. Ferner ist es zweckmäßig, wenn das erste Unterspannungssystem mit dem ersten Brückengleich- richter verbunden ist. Weiter ist es zweckmäßig, wenn das zweite Unterspannungssystem mit dem zweiten Brückengleichrichter verbunden ist.
Das Oberspannungssystem kann eine oder mehrere Oberspannungs- Wicklungen aufweisen. Weiterhin können die beiden Unterspannungssysteme jeweils eine oder mehrere Unterspannungswicklun¬ gen aufweisen. In bevorzugter Weise weisen das Oberspannungssystem und die beiden Unterspannungssysteme jeweils drei Wicklungen auf. Ei¬ ne vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die einzelnen Wicklungen des jeweiligen Spannungssystems eine Phasenverschiebung zwischen einer unterspannungsseitigen Außenleiterspannung und einer oberspannungsseitigen Außenleiterspannung bewirkend miteinander verschaltet sind. Zweckmä¬ ßigerweise beträgt die Phasenverschiebung ein ganzzahliges Vielfaches von 30°. Neben Phasenverschiebungen wie z.B. 60°, 90°, 120° usw. kann eine Phasenverschiebung von 0° oder 30° ebenso als ganzzahliges Vielfaches von 30° aufgefasst werden.
Unter einer Außenleiterspannung kann eine Spannung zwischen zwei Außenleitern des jeweiligen Spannungssystems verstanden werden. Als oberspannungsseitige Außenleiterspannung kann insbesondere eine Spannung zwischen zwei Außenleitern des Oberspannungssystems aufgefasst werden. Entsprechend kann als unterspannungsseitige Außenleiterspannung eine Spannung zwischen zwei Außenleitern des ersten bzw. des zweiten Unter- spannungssystems aufgefasst werden.
Sinnvollerweise sind die beiden Außenleiter des Oberspannungssystems, auf die sich die oberspannungsseitige Außenlei¬ terspannung bezieht, Außenleiter mit gleichen Anschlussbe- Zeichnungen wie die beiden Außenleiter des ersten bzw. zweiten Unterspannungssystems, auf die sich die unterspannungs¬ seitige Außenleiterspannung bezieht.
Insbesondere können die einzelnen Wicklungen des jeweiligen Spannungssystems eine erste Phasenverschiebung zwischen einer Außenleiterspannung des ersten Unterspannungssystems und ei¬ ner oberspannungsseitigen Außenleiterspannung bewirkend miteinander verschaltet sind. Alternativ oder zusätzlich können die einzelnen Wicklungen des jeweiligen Spannungssystems eine zweite Phasenverschiebung zwischen einer Außenleiterspannung des zweiten Unterspannungssystems und der oberspannungsseiti¬ gen Außenleiterspannung bewirkend miteinander verschaltet sind. Auf diese Weise kann die Blindleistung, die beim Be- trieb des Elektrolyseurs erzeugt wird, weiter verringert wer¬ den. Die erste und die zweite Phasenverschiebung können identisch sein oder voneinander verschieden, insbesondere unterschiedliche Vielfache von 30°, sein.
Die Wicklungen des ersten Unterspannungssystems können z.B. in einer Sternschaltung miteinander verschaltet sein. Ferner können die Wicklungen des zweiten Unterspannungssystems z.B. in einer Dreieckschaltung miteinander verschaltet sein. Umge- kehrt ist es möglich, dass die Wicklungen des ersten Unterspannungssystems in einer Dreieckschaltung miteinander verschaltet sind. Weiterhin ist es möglich, dass die Wicklungen des zweiten Unterspannungssystems z.B. in einer Sternschal¬ tung miteinander verschaltet sind.
Des Weiteren ist der erste Brückengleichrichter zweckmäßigerweise mittels einer ersten Transformatoranschlussleitung mit dem ersten Unterspannungssystem des Transformators verbunden. Analoger Weise ist es zweckmäßig, wenn der zweite Brücken- gleichrichter mittels einer zweiten Transformatoranschluss¬ leitung mit dem zweiten Unterspannungssystem des Transformators verbunden ist. In bevorzugter Weise umfasst jede der beiden Transformatoranschlussleitungen einen Schalter, mittels welchem der jeweilige Brückengleichrichter vom Transfor- mator trennbar ist. Dadurch kann erreicht werden, dass die
Brückengleichrichter separat vom Transformator trennbar sind. Außerdem kann jede der beiden Transformatoranschlussleitungen eine elektrische Sicherung oder eine Parallelschaltung von mehreren elektrischen Sicherungen umfassen.
Optionalerweise ist der zweite Brückengleichrichter wechsels- pannungsseitig mit zumindest einem Kondensator verbunden. Weiter ist es, zweckmäßig, wenn der Kondensator mit dem zweiten Unterspannungssystem des Transformators verbunden ist. Der Kondensator kann dazu verwendet werden, eine elektrische Leistung aus dem Wechselspannungsnetz aufzunehmen und/oder in das Wechselspannungsnetz einzuspeisen, insbesondere zum Zwecke einer Verringerung einer Blindleistung im Wechselspan- nungsnetz. Vorzugsweise ist der zweite Brückengleichrichter wechselspannungsseitig mit drei Kondensatoren verbunden.
Sinnvollerweise sind diese drei Kondensatoren mit dem zweiten Unterspannungssystem des Transformators verbunden.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn das Elektrolysesystem eine Steuereinheit aufweist. Die Steuereinheit wiederum kann einen Hochlaufgeber umfassen. Zweckmäßigerweise ist die Steu¬ ereinheit dazu eingerichtet, die Schaltelemente der Gleich- richtereinheit zu steuern. Insbesondere kann die Steuerein¬ heit dazu eingerichtet sein, Schaltzustände der Schaltelemen¬ te zu steuern.
Des Weiteren kann die Steuereinheit als Regelung ausgeführt sein. Das heißt, die Steuereinheit kann eine Messwert- Rückkopplung aufweisen. Die Steuereinheit kann insbesondere dazu eingesetzt werden, den Gleichstrom zu regeln, mit dem der Elektrolyseur versorgt wird. Dabei kann beispielsweise das Verfahren der sogenannten Phasenanschnittsteuerung einge- setzt werden.
Zweckmäßigerweise umfasst das Elektrolysesystem zumindest ei¬ nen Wechselstromwandler zum Ermitteln einer Stromstärke eines Wechselstroms, mit dem der erste Brückengleichrichter ver- sorgt wird. Vorzugsweise ist der Wechselstromwandler mit der Steuereinheit verbunden. Alternativ oder zusätzlich zu dem Wechselstromwandler kann das Elektrolysesystem einen Gleichstromwandler zum Ermitteln einer Stromstärke eines Gleichstroms, der mithilfe der Reihenschaltung erzeugt wird, auf- weisen. Sinnvollerweise ist der Gleichstromwandler mit der Steuereinheit verbunden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Gleichrichtereinheit eine weitere Reihenschaltung von zwei Brückengleichrichtern. Zweckmäßigerweise ist die weitere Reihenschaltung mit dem Elektrolyseur verbunden. Ferner ist es zweckmäßig, wenn die weitere Reihenschaltung zur Reihenschaltung vom ersten Brückengleichrichter und zweiten Brü- ckengleichrichter parallel geschaltet ist. Auf diese Weise kann eine Stromstärke des Gleichstroms, mit dem der Elektro- lyseur von der Gleichrichtereinheit versorgt wird, vergrößert werden - verglichen mit Stromstärke, die eine Gleichrichter- einheit ohne eine solche weitere Reihenschaltung bereitstel¬ len kann. Durch die Erhöhung der Stromstärke wiederum kann der Elektrolyseur eine höhere Leistung umsetzen.
Vorzugsweise ist einer der beiden Brückengleichrichter der weiteren Reihenschaltung mit dem ersten Unterspannungssystem des Transformators verbunden. Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn dieser Brückengleichrichter identisch zum ersten Brückengleichrichter der erstgenannten Reihenschaltung ausgestaltet ist. In bevorzugter Weise ist die zuvor erwähnte Steuereinheit dazu eingerichtet, besagten Brückengleichrich¬ ter der weiteren Reihenschaltung bzw. dessen steuerbare
Schaltelemente anzusteuern.
Des Weiteren ist der andere der beiden Brückengleichrichter der weiteren Reihenschaltung bevorzugterweise mit dem zweiten Unterspannungssystem des Transformators verbunden. Der letztgenannte Brückengleichrichter ist zweckmäßigerweise identisch zum zweiten Brückengleichrichter der erstgenannten Reihenschaltung ausgestaltet.
Sinnvollerweise umfasst das Elektrolysesystem ein erstes Lei¬ tungssystem, das mit der erstgenannten Reihenschaltung verbunden ist. Weiter umfasst Elektrolysesystem sinnvollerweise ein zweites Leitungssystem, das mit der weiteren Reihenschal- tung verbunden ist. Zweckmäßigerweise sind die beiden Lei¬ tungssysteme widerstandsbehaftet. Insbesondere können beide Leitungssysteme gleiche ohmsche Widerstände aufweisen. Außer¬ dem sind die Reihenschaltung und die weitere Reihenschaltung vorteilhafterweise am Elektrolyseur miteinander verbunden, insbesondere sowohl an der Anode als auch an der Kathode.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Elektrolysesystems, bei dem ein Elektrolyseur unter Ver- wendung einer Gleichrichtereinheit mit einem Gleichstrom versorgt wird. Bei diesem Elektrolysesystem kann es sich insbesondere um das erfindungsgemäßen Elektrolysesystems bzw. ei¬ ner seiner oben beschriebenen Weiterbildungen handeln.
Damit das Elektrolysesystem kostensparend betrieben werden kann, wird der Gleichstrom erfindungsgemäß mithilfe einer Reihenschaltung erzeugt, die einen ersten Brückengleichrichter und einen zweiten Brückengleichrichter umfasst.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind jeweils Gegenstand abhängiger Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung. Sinnvollerweise ist Elektrolyseur ein Bestandteil des Elekt¬ rolysesystems. Außerdem ist die Gleichrichtereinheit sinn¬ vollerweise ein Bestandteile des Elektrolysesystems.
In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird mithilfe des ersten Brückengleichrichters eine elektrische Leistung, insbesondere diejenige elektrische Leistung, die vom Elektro¬ lyseur umgesetzt wird, auf einen vorgegebenen Leistungswert eingestellt. Zweckmäßigerweise wird der erste Brückengleich¬ richter hierbei derart angesteuert, dass der Gleichstrom eine vorgegebene Stromstärke aufweist. Sinnvollerweise wird der erste Brückengleichrichter bzw. werden dessen steuerbare Schaltelemente mittels einer Steuereinheit angesteuert.
Des Weiteren wird die Gleichrichtereinheit zweckmäßigerweise mit einer Wechselspannung versorgt. Vorzugsweise wird die Gleichrichtereinheit unter Verwendung eines Transformators mit der Wechselspannung versorgt. Weiter ist es vorteilhaft, wenn die Wechselspannung mithilfe des Transformators derart eingestellt wird, dass eine elektrische Leistung, die vom Elektrolyseur umgesetzt wird, über eine vorgegebene Betriebs¬ dauer des Elektrolyseurs hinweg und/oder bei variierender Be¬ triebstemperatur des Elektrolyseurs konstant bzw. im Wesent¬ lichen konstant gehalten wird. Vorteilhafterweise wird zum Zuschalten des Elektrolyseurs an ein Wechselspannungsnetz der erste Brückengleichrichter mithilfe eines Schalters mit dem Transformator verbunden.
Zeckmäßigerweise wird der erste Brückengleichrichter derart angesteuert, dass von der Reihenschaltung ein Gleichstrom erzeugt wird, dessen Stromstärke gemäß einer vorgegebenen Funktion erhöht wird, insbesondere bei Null beginnend. Vorzugs¬ weise wird die Stromstärke des Gleichstroms erhöht, bis durch den Elektrolyseur ein Strom mit einer vorgegebenen Stromstär- ke fließt und/oder am Elektrolyseur eine vorgegebene Spannung anliegt. Vorteilhafterweise wird der zweite Brückengleich¬ richter anschließend mithilfe eines weiteren Schalters mit dem Transformator verbunden. Zudem wird der erste Brückengleichrichter zweckmäßigerweise derart angesteuert, dass eine Spannung, die am Elektrolyseur anliegt, konstant gehalten wird .
Zum Abschalten des Elektrolyseurs vom Wechselspannungsnetz wird der erste Brückengleichrichter vorteilhafterweise derart angesteuert, dass die Stromstärke des von der Reihenschaltung erzeugten Gleichstroms unter einen vorgegebenen Stromstärkewert abfällt. Vorteilhafterweise wird der zweite Brücken¬ gleichrichter anschließend mithilfe des weiteren Schalters vom Transformator getrennt. Hierdurch wird der erste Brücken- gleichrichter zweckmäßigerweise in einen sperrenden Zustand versetzt. Durch das Trennen des zweiten Brückengleichrichters kann der Gleichstrom, insbesondere aufgrund einer nicht line¬ aren Strom-Spannungskennlinie des Elektrolyseurs, unter eine Haltestromgrenze eines Thyristors des ersten Brückengleich- richters abfallen. In bevorzugter Weise wird anschließend der erste Brückengleichrichter mithilfe des Schalters vom Trans¬ formator getrennt.
Ferner kann das erfindungsgemäße Elektrolysesystem, insbeson- dere eine seiner oben beschriebenen Weiterbildungen, unter anderem zur Leistungsstabilisierung in einem Wechselspannungsnetz verwendet werden. Vorzugsweise wird bei der Leistungsstabilisierung eine Wirkleistung im Wechselspannungsnetz unterhalb einer vorgegebenen Leistungsobergrenze gehalten, insbesondere in Zeiten, in de¬ nen eine kraftwerksseitig ins Wechselspannungsnetz einge- speiste Wirkleistung eine verbraucherseitig umgesetzte Wirk¬ leistung übersteigt. Zu diesem Zweck nimmt das Elektrolyse¬ system zweckmäßigerweise eine Wirkleistung aus dem Wechsels¬ pannungsnetz auf. Weiter ist es zweckmäßig, wenn unter Verwendung dieser Wirkleistung mittels der Gleichrichtereinheit eine Gleichspannungsleistung erzeugt wird. Die Gleichspannungsleistung wiederum kann zur Durchführung eines Elektrolyseprozesses mittels des Elektrolyseurs verwendet werden.
Die bisher gegebene Beschreibung vorteilhafter Ausgestaltungen enthält zahlreiche Merkmale, die in den einzelnen Unter¬ ansprüchen teilweise zu mehreren zusammengefasst wiedergege¬ ben sind. Diese Merkmale können jedoch zweckmäßigerweise auch einzeln betrachtet und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammengefasst werden. Insbesondere sind diese Merkmale je¬ weils einzeln und in beliebiger geeigneter Kombination mit dem erfindungsgemäßen Elektrolysesystem und dem erfindungsgemäßen Verfahren kombinierbar. So sind Verfahrensmerkmale, ge¬ genständlich formuliert, auch als Eigenschaft der entspre¬ chenden Vorrichtungseinheit zu sehen und umgekehrt.
Auch wenn in der Beschreibung bzw. in den Patentansprüchen einige Begriffe jeweils im Singular oder in Verbindung mit einem Zahlwort verwendet werden, soll der Umfang der Erfindung für diese Begriffe nicht auf den Singular oder das je¬ weilige Zahlwort eingeschränkt sein. Ferner sind die Wörter „ein" bzw. „eine" nicht als Zahlwörter, sondern als unbestimmte Artikel zu verstehen.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Die Ausführungsbeispiele dienen der Erläuterung der Erfindung und beschränken die Erfindung nicht auf die darin angegebenen Kombinationen von Merkmalen, auch nicht in Bezug auf funktionale Merkmale. Außerdem können dazu geeignete Merkmale eines jeden Ausführungsbeispiels auch ex¬ plizit isoliert betrachtet, aus einem Ausführungsbeispiel entfernt, in ein anderes Ausführungsbeispiel zu dessen Ergän¬ zung eingebracht und mit einem beliebigen der Ansprüche kom¬ biniert werden.
Es zeigen:
FIG 1 ein Elektrolysesystem mit einer Gleichrichtereinheit, die zwei Reihenschaltungen von jeweils zwei Brückengleichtrichtern mit steuerbaren Schaltelementen umfasst; und
FIG 2 ein anderes Elektrolysesystem mit einer Gleichrichtereinheit, die zwei Reihenschaltungen von jeweils einem Brückengleichtrichter mit steuerbaren Schaltelementen und einem Brückengleichrichter mit Dioden umfasst .
FIG 1 zeigt ein Schaltbild eines Elektrolysesystems 2. Das Elektrolysesystem 2 umfasst einen Elektrolyseur 4 mit einer Anode 6 und einer Kathode 8. Des Weiteren umfasst das Elekt¬ rolysesystem 2 eine mit dem Elektrolyseur 4 verbundene
Gleichrichtereinheit 10 zum Versorgen des Elektrolyseurs 4 mit einem Gleichstrom. Außerdem umfasst das Elektrolysesystem 2 einen Transformator 12, durch den der Elektrolyseur 4 an ein Wechselspannungsnetz 14 gekoppelt ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Wechselspannungs¬ netz 14 um ein dreiphasiges Mittelspannungsnetz. Die Gleichrichtereinheit 10 umfasst eine erste Reihenschal¬ tung 16 von einem ersten Brückengleichrichter 18 und einem zweiten Brückengleichrichter 20 sowie eine zweite Reihenschaltung 22 von einem dritten Brückengleichrichter 24 und einem vierten Brückengleichrichter 26. Beide Reihenschaltungen 16, 22 sind mit dem Elektrolyseur 4 verbunden und zueinander parallel geschaltet. Der erste und der dritte Brückengleichrichter 18, 24 sind jeweils durch eine Elektrolyseuranschlussleitung 28 mit der Kathode 8 des Elektrolyseurs 4 verbunden, wobei die Elektroly- seuranschlussleitungen 28 an der Kathode 8 miteinander verbunden sind. Ferner sind der zweite und der vierte Brücken- gleichrichter 20, 26 jeweils durch eine Elektrolyseuranschlussleitung 30 mit der Anode 6 des Elektrolyseurs 4 ver¬ bunden, wobei letztgenannte Elektrolyseuranschlussleitungen 30 an der Anode 6 miteinander verbunden sind.
Außerdem sind der erste und der zweite Brückengleichrichter 18, 20 durch eine Verbindungsleitung 32 miteinander verbunden. Weiter sind der dritte und der vierte Brückengleichrichter 24, 26 durch eine weitere Verbindungsleitung 34 miteinander verbunden.
Die vier Brückengleichrichter 18, 20, 24, 26 sind als 6-Puls- Gleichrichter ausgestaltet und umfassen jeweils drei zueinander parallel geschaltete Phasenzweige 36. Jeder dieser Pha¬ senzweige 36 weist zwei zueinander in Reihe geschaltete steu¬ erbare Schaltelemente 38 auf. Das heißt, die vier Brücken¬ gleichrichter 18, 20, 24, 26 sind steuerbare Gleichrichter. Im vorliegenden Fall handelt es sich bei den steuerbaren Schaltelemente 38 um Thyristoren. Weiterhin ist jeder der Phasenzweige 36 zwischen seinen steuerbaren Schaltelemente 38 mit einem Anschlussstrang 40 verbunden.
Des Weiteren ist der Transformator 12 als 3-Wicklungs- Transformator ausgestaltet, welcher ein Oberspannungssystem 42 sowie ein erstes Unterspannungssystem 44 und ein zweites Unterspannungssystem 46 aufweist, wobei jedes dieser drei
Spannungssysteme 42, 44, 46 jeweils drei Wicklungen umfasst. Das Oberspannungssystem 42 des Transformators 12 ist durch eine dreiphasige Netzanschlussleitung 48 an das Wechselspannungsnetz 14 angeschlossen. Die Netzanschlussleitung 48 umfasst einen Schalter 50, mittels welchem der Transformator 12 vom Wechselspannungsnetz 14 getrennt und wieder mit dem Wechselspannungsnetz 14 verbunden werden kann. Weiterhin weist der Schalter 50 eine Erdverbindung 52 auf, durch die das Oberspannungssystem 42 bei der Trennung des Transformators 12 vom Wechselspannungsnetz 14 auf Erdpotential gesetzt werden kann.
Das erste Unterspannungssystem 44 ist mit einer ersten Transformatoranschlussleitung 54 verbunden und das zweite Unterspannungssystem 46 ist mit einer zweiten Transformatoran- Schlussleitung 56 verbunden. Beide Transformatoranschlusslei¬ tungen 54, 56 umfassen jeweils drei Phasenleitungen 58.
Ferner weist jede der drei Phasenleitungen 58 der ersten Transformatoranschlussleitung 54 zwei Abzweigungen 60 auf, von denen eine mit dem ersten Brückengleichrichter 18 verbindbar ist und die andere mit dem dritten Brückengleichrichter 24 verbindbar ist. Entsprechend weist jede der drei Phasenleitungen 58 der zweiten Transformatoranschlussleitung 56 zwei Abzweigungen 60 auf, von denen eine mit dem zweiten Brückengleichrichter 20 verbindbar ist und die andere mit dem vierten Brückengleichrichter 26 verbindbar ist.
Des Weiteren umfasst jede der Abzweigungen 60 eine Parallel¬ schaltung von zwei Einzeladern 62 mit jeweils einer Sicherung 64. Prinzipiell ist es möglich, dass die Abzweigungen 60 al¬ ternativ jeweils eine Parallelschaltung von mehr als zwei Einzeladern 62 oder aber nur eine einzelne Einzelader 62 umfassen. Darüber hinaus umfasst jede der Abzweigungen 60 jeweils einen Schalter 66, mittels welchem die jeweilige Ab- zweigung 60 mit einem der Phasenstränge 40 verbunden bzw. von diesem getrennt werden kann. Außerdem weist das Elektrolysesystem 2 eine Steuereinheit 68 mit einem integrierten Hochlaufgeber auf, wobei die Steuereinheit 68 insbesondere als Regelung ausgeführt ist. Mithilfe der Steuereinheit 68 werden Schaltzustände der Schaltelemente 38 gesteuert. Insbesondere wird die Steuereinheit 68 dazu eingesetzt, einen Gleichstrom, mit dem der Elektrolyseur 4 durch die Gleichrichtereinheit 10 versorgt wird, zu regeln. Zu diesem Zweck weist das Elektrolysesystem 2 zwei Wechselstromwandler 70 sowie einen Gleichstromwandler 72 auf. Die Wechselstromwandler 70 sind an unterschiedlichen Phasenleitungen 58 der ersten Transformatoranschlussleitung 54 angeordnet. Wohingegen der Gleichstromwandler 72 an der Verbindungsleitung 32 angeordnet ist, durch welche der erste Brü¬ ckengleichrichter 18 mit dem zweiten Brückengleichrichter 20 verbunden ist. Außerdem sind die Stromwandler 70, 72 mit der Steuereinheit 68 verbunden.
Die Wechselstromwandler 70 werden jeweils dazu eingesetzt, eine Stromstärke eines durch die jeweilige Phasenleitung 58 der ersten Transformatoranschlussleitung 54 fließenden Wechselstroms zu ermitteln. Entsprechend wird der Gleichstrom¬ wandler 72 dazu eingesetzt, eine Stromstärke eines durch die Verbindungsleitung 32, durch welche der erste Brückengleichrichter 18 mit dem zweiten Brückengleichrichter 20 verbunden ist, fließenden Gleichstroms zu ermitteln.
Ferner weisen die mit der ersten Reihenschaltung 16 verbunden Leitungen und die ihnen entsprechenden Leitungen, welche mit der zweiten Reihenschaltung 22 verbunden sind, gleiche ohm- sehe Widerstände auf. Darüber hinaus weisen die mit der ers¬ ten Unterspannungssystem 44 verbunden Leitungen und die ihnen entsprechenden Leitungen, welche mit der zweiten Unterspannungssystem 46 verbunden sind, gleiche ohmsche Widerstände auf. Dies ermöglicht, dass durch die beiden Reihenschaltungen 16, 22 gleiche Gleichströme fließen, wenn die Steuerelemente 38 der ersten Reihenschaltung 16 und die Steuerelemente 38 der zweiten Reihenschaltung 22 synchron oder in einem vorgegebenem zeitlichen Abstand angesteuert werden. Das Elektrolysesystem 2 wird zur Leistungsstabilisierung im Wechselspannungsnetz 14 verwendet. Bei der Leistungsstabili¬ sierung wird eine Wirkleistung im Wechselspannungsnetz 14 unterhalb einer vorgegebenen Leistungsobergrenze gehalten. Zu diesem Zweck nimmt das Elektrolysesystem 2 eine Wirkleistung aus dem Wechselspannungsnetz 14 auf. Unter Verwendung dieser Wirkleistung wird mittels der Gleichrichtereinheit 10 eine Gleichspannungsleistung erzeugt. Die Gleichspannungsleistung wiederum wird zur Durchführung eines Elektrolyseprozesses mittels des Elektrolyseurs 4 verwendet.
Bei der Durchführung des Elektrolyseprozesses wird der
Elektrolyseur 4 von der Gleichrichtereinheit 10 mit einem Gleichstrom versorgt, der mithilfe der beiden Reihenschaltun- gen 16, 22 erzeugt wird. Die Gleichrichtereinheit 10 wiederum wird unter Verwendung des Transformators 12 mit einer Wechselspannung versorgt. Ferner wird mithilfe der steuerbaren Schaltelemente 38 der Brückengleichrichter 18, 20, 24, 26 ei¬ ne elektrische Leistung, die vom Elektrolyseur 4 umgesetzt wird, auf einen vorgegebenen Leistungswert eingestellt. Hier¬ bei werden die steuerbaren Schaltelemente 38 von der Steuereinheit 68 derart angesteuert, dass der Gleichstrom eine vor¬ gegebene Stromstärke aufweist. Weiter wird die Wechselspan¬ nung, mit der die Gleichrichtereinheit 10 versorgt wird, mit- hilfe des Transformators 12 derart vorgegeben, dass die elektrische Leistung, die vom Elektrolyseur umgesetzt wird, über eine vorgegebene akkumulierte Betriebsdauer des Elektro¬ lyseurs 4 hinweg sowie bei variierender Betriebstemperatur des Elektrolyseurs 4 im Wesentlichen konstant gehalten wird.
FIG 2 zeigt ein Schaltbild eines weiteren Elektrolysesystems 74. Die nachfolgende Beschreibung beschränkt sich im Wesent¬ lichen auf die Unterschiede zum vorhergehenden Ausführungs¬ beispiel, auf das bezüglich gleich bleibender Merkmale und Funktionen verwiesen wird. Werden in den beiden Figuren gleiche Bezugszeichen verwendet, so bezeichnen diese Bezugszei¬ chen im Wesentlichen gleiche bzw. einander entsprechende Elemente . Das weitere Elektrolysesystem 74 aus FIG 2 unterscheidet sich vom Elektrolysesystem 2 aus FIG 1 dadurch, dass der zweite und der vierte Brückengleichrichter 20, 26
Diodengleichrichter sind und somit anstelle der steuerbaren Schaltelemente Dioden 76 aufweisen. Das heißt, dass nur der erste sowie der dritte Brückengleichrichter 18, 24 steuerbare Gleichrichter sind. Entsprechend werden nur der erste und der dritte Brückengleichrichter 18, 24, genauer gesagt deren Steuerelemente 38, von der Steuereinheit 68 angesteuert.
Außerdem umfasst das weitere Elektrolysesystem 74 drei Kondensatoren 78. Diese sind jeweils an eine der Phasenleitungen 58 der zweiten Transformatoranschlussleitung 56 angeschlossen sind. Somit sind die Kondensatoren 78 mit dem zweiten und dem vierten Brückengleichrichter 20, 26 sowie mit dem zweiten Unterspannungssystem 46 des Transformators 12 verbunden. Die Kondensatoren 78 werden zur Verringerung einer Blindleistung im Wechselspannungsnetz 14 eingesetzt, indem die Kondensatoren 78 eine elektrische Leistung aus dem Wechselspannungsnetz 14 aufnehmen und/oder in das Wechselspannungsnetz 14 einspeisen .
Weiterhin sind die einzelnen Wicklungen des jeweiligen Spannungssystems 42, 44, 46 des Transformators 12 eine erste Pha- senverschiebung zwischen einer Außenleiterspannung des ersten Unterspannungssystems 44 und einer Außenleiterspannung des Oberspannungssystems 42 bewirkend miteinander verschaltet. Zudem sind die einzelnen Wicklungen des jeweiligen Spannungssystems 42, 44, 46 eine zweite Phasenverschiebung zwischen einer Außenleiterspannung des zweiten Unterspannungssystems 46 und einer Außenleiterspannung des Oberspannungssystems 42 bewirkend miteinander verschaltet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt die erste Phasenverschiebung 0° und die zweite Phasenverschiebung 30°.
Zum Zuschalten des Elektrolyseurs 4 an das Wechselspannungs¬ netz 14 werden der erste und der dritte Brückengleichrichter 18, 24 mithilfe der Schalter 66 der ersten Transformatoran- Schlussleitung 54 mit dem Transformator 12 verbunden. Zudem werden der erste und der dritte Brückengleichrichter 18, 24 derart angesteuert, dass von beiden Reihenschaltungen 16, 22 jeweils ein Gleichstrom erzeugt wird, dessen Stromstärke ge- maß einer vorgegebenen Funktion bei Null beginnend erhöht wird, bis durch den Elektrolyseur 4 ein Strom mit einer vorgegebenen Stromstärke fließt. Anschließend werden der zweite und der vierte Brückengleichrichter 20, 26 mithilfe der
Schalter 66 der zweiten Transformatoranschlussleitung 56 mit dem Transformator 12 verbunden. Zugleich werden der erste und der dritte Brückengleichrichter 18, 24 derart angesteuert, dass die am Elektrolyseur 4 anliegende Spannung konstant ge¬ halten wird. Zum Abschalten des Elektrolyseurs 4 vom Wechselspannungsnetz 14 werden der erste und der dritte Brückengleichrichter 18, 24 derart angesteuert, dass die Stromstärke des von der je¬ weiligen Reihenschaltung 16, 22 erzeugten Gleichstroms unter einen vorgegebenen Stromstärkewert abfällt. Anschließend wer- den der zweite und der vierte Brückengleichrichter 20, 26 mithilfe der Schalter 66 der zweiten Transformatoranschluss¬ leitung 56 vom Transformator 12 getrennt. Hierdurch werden der erste und der dritte Brückengleichrichter 18, 24 in einen sperrenden Zustand versetzt, insbesondere dadurch, dass die Gleichströme unter eine Haltestromgrenze der Thyristoren ab¬ fallen. Anschließend werden der erste und der dritte Brückengleichrichter 18, 24 mithilfe der Schalter 66 der ersten Transformatoranschlussleitung 54 vom Transformator 12 getrennt .
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrolysesystem (2; 74), welches einen Elektrolyseur (4) sowie eine mit dem Elektrolyseur (4) verbundene Gleichrich- tereinheit (10) zum Versorgen des Elektrolyseurs (4) mit ei¬ nem Gleichstrom aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichrichtereinheit (10) eine Reihenschaltung (16) von einem ersten Brückengleichrichter (18) und einem zweiten Brückengleichrichter (20) umfasst.
2. Elektrolysesystem (2; 74) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass jeder der beiden Brückengleichrichter (18, 20) mehrere steuerbare Schaltelemente (38), ins¬ besondere Thyristoren, umfasst.
3. Elektrolysesystem (2; 74) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der erste Brückengleichrichter (18) mehrere steuerbare Schaltelemente (38), insbesondere Thyristoren, umfasst und der zweite Brückengleichrichter (20) mehrere Dioden (76) umfasst.
4. Elektrolysesystem (2; 74) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Brückengleichrichter (18, 20) als 6-Puls-Gleichrichter ausgestaltet sind.
5. Elektrolysesystem (2; 74) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyseur (4) eine Anode (6) sowie eine Kathode (8) aufweist, der erste Brückengleich¬ richter (18) mit der Kathode (8) des Elektrolyseurs (4) ver¬ bunden ist und der zweite Brückengleichrichter (18) mit der Anode (6) des Elektrolyseurs (4) verbunden ist.
6. Elektrolysesystem (2; 74) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch einen Transformator (12), insbesondere einen Dreiphasentransformator, und eine Netzanschlussleitung (48) zum Anschließen des Transformators (12) an ein Wechsels¬ pannungsnetz (14), insbesondere einen dreiphasigen Wechselspannungsnetz .
7. Elektrolysesystem (2; 74) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass der Transformator (12) als 3- Wicklungs-Transformator ausgestaltet ist, welcher ein Oberspannungssystem (42), an das die Netzanschlussleitung (48) angeschlossen ist, ein erstes Unterspannungssystem (44), das mit dem ersten Brückengleichrichter (18) verbunden ist, und ein zweites Unterspannungssystem (46), das mit dem zweiten Brückengleichrichter (18) verbunden ist, aufweist.
8. Elektrolysesystem (2; 74) nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass das Oberspannungssystem (42) und die beiden Unterspannungssysteme (44, 46) jeweils drei Wick¬ lungen aufweisen und die einzelnen Wicklungen des jeweiligen Spannungssystems (42, 44, 46) eine erste Phasenverschiebung zwischen einer Außenleiterspannung des ersten Unterspannungssystems (44) und einer oberspannungsseitigen Außenleiterspannung bewirkend sowie eine zweite Phasenverschiebung zwischen einer Außenleiterspannung des zweiten Unterspannungssystems (46) und der oberspannungsseitigen Außenleiterspannung bewirkend miteinander verschaltet sind.
9. Elektrolysesystem (2; 74) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Brückengleichrichter (18) wechselspannungsseitig mit zumindest einem Kondensator (78) verbunden ist.
10. Elektrolysesystem (2; 74) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch zumindest einen Wechselstromwandler (70) zum Ermitteln einer Stromstärke eines Wechselstroms, mit dem der erste Brückengleichrichter (18) versorgt wird, und/oder durch einen Gleichstromwandler (72) zum Ermitteln einer Stromstärke eines Gleichstroms, der mithilfe der Reihenschal¬ tung (16) erzeugt wird.
11. Elektrolysesystem (2; 74) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichrichtereinheit (10) eine weitere Reihenschaltung (22) von zwei Brückengleichrichtern (24, 26) umfasst, die mit dem Elektrolyseur (4) verbunden ist und zur Reihenschaltung (16) vom ersten Brücken- gleichrichter (18) und zweiten Brückengleichrichter (20) parallel geschaltet ist.
12. Verfahren zum Betreiben eines Elektrolysesystems (2; 74), bei dem ein Elektrolyseur (4) unter Verwendung einer Gleich- richtereinheit (10) mit einem Gleichstrom versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichstrom mithilfe einer Reihenschaltung (16) erzeugt wird, die einen ersten Brückengleichrichter (18) und einen zweiten Brückengleichrichter (20) umfasst.
13. Verfahren nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass mithilfe des ersten Brücken¬ gleichrichters (16) eine elektrische Leistung, die vom
Elektrolyseur (4) umgesetzt wird, auf einen vorgegebenen Leistungswert eingestellt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13,
dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichrichtereinheit (10) unter Verwendung eines Transformators (12) mit einer Wechsel- Spannung versorgt wird und die Wechselspannung mithilfe des
Transformators (12) derart eingestellt wird, dass eine elekt¬ rische Leistung, die vom Elektrolyseur (4) umgesetzt wird, über eine vorgegebene Betriebsdauer des Elektrolyseurs (4) hinweg und/oder bei variierender Betriebstemperatur des
Elektrolyseurs (4) im Wesentlichen konstant gehalten wird.
15. Verwendung eines Elektrolysesystems (2; 74) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Leistungsstabilisierung in einem Wechselspannungsnetz (14).
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