离岸电解设备以及用于运行离岸电解设备的方法与流程

本发明涉及离岸电解设备以及用于运行离岸电解设备的方法。

背景技术：

1、电解设备是借助电流来引起物质转换(电解)的装置。相应于不同的电化学电解过程的多样性，也有多种电解设备，例如用于电解水的电解设备。

2、如今，例如借助质子交换膜(pem)电解或碱性电解由水产生氢。电解设备借助电能由供给的水生产氢和氧。该过程发生在由多个电解池组成的电解堆中。将水作为底物引入处于dc电压之下的电解堆中，其中，在经过电解池之后出来两股流体流，其由水和气泡(o2或h2)组成。

3、当前考虑的是，利用在阳光充足和风力充足的时期由可再生能源产生的过量的能量，即利用高于平均水平的太阳能发电或风力发电来产生有价值的物质。一种有价值的物质尤其可以是通过水电解设备产生的氢。借助氢例如可以生产所谓的可再生能源气体(ee-gas：erneuerbare energien-gas)。可再生能源气体是借助电能从可再生的来源中获取的可燃气体。

4、氢在此是一种特别环境友好并且可持续的能量载体。氢具有独特的潜力，可以实现能量系统、交通和化学的大部分领域的零co2排放。然而，为了成功实现这一潜力，氢不能是由化石能源生产的，而是必须借助可再生能量生产的。

5、可再生能量的一个来源是风力。尤其是利用靠近海岸的所谓离岸风力设备可以实现大的电功率。然而，具有挑战性的是，必须克服与消耗端之间的大的距离。因此，能量应该以尽可能少的损失传输给消耗端。氢非常适合作为传输介质。例如，氢可以通过管道以气态形式传输。这里的一积极的次要方面是，引导氢的管道可以同时满足能量存储器的功能，因为内部的压力可以在一定范围内变化。基于该考虑，对在获取能量的地点直接生产氢特别感兴趣，即将电解设备直接放置在离岸在离岸风力设备之处或紧邻其附近。

6、对于离岸电解设备必须特别注意避免腐蚀，因为盐水的存在会导致出现明显更高的腐蚀速率，这危及电解设备的长期不间断的运行。原则上，离岸电解设备可以配备电解器并将其安置在封闭的壳体、容器内。由此可以对电解器实现一定程度的针对外部环境影响的保护。然而，由于运行原因，必须冷却电解器，以便将电解过程中产生的废热消散到环境中。例如在专利文献ep 2623 640a1中描述了在岸电解设备的有效的冷却和废热利用方案。通过将在电解器中产生的废热存储在热量载体介质中、将该热量载体介质供给给水处理设备并且在该水处理设备中借助废热由原水生产去离子水，通过分解水产生氢和氧的电解器的效率将提高。在此，热量载体介质在电解器和水处理设备之间的闭合回路中循环泵送。相应的换热器负责从电解设备的壳体吸收并消散热量，以及负责相应的热传递和供给给水处理设备。

7、相比之下，为了避免过热和故障，对于离岸电解设备，由于封闭的容器结构类型、即对电解器的封装和保护，运行中的冷却要求尤为重要。因此，对于离岸电解设备，为了适当地消散工艺热量的热量流并实现安全的运行，电解器与环境之间的界面最终是不可避免的。与此同时，海事领域的环境问题也很重要，尤其保护海洋动植物的监管规定。

技术实现思路

1、因此，本发明的目的是，提供能够可靠且同时以环境可承受的方式运行的离岸电解设备。另一目的是提供运行离岸电解设备的方法。

2、根据本发明，针对离岸电解设备的目的通过如下离岸电解设备来实现，其包括布置在容器中的电解器以及传热器，该传热器设计用于吸收来自容器的由电解产生的工艺热量并排出到封闭式的冷却剂回路中，其中，在容器中布置有用于在冷却剂回路中输送冷却剂的冷却剂泵。

3、根据本发明，针对用于运行离岸电解设备的方法的目的通过用于运行如下离岸电解设备的方法来实现，离岸电解设备具有布置在容器中的电解器，其中，为了吸收和排出来自容器的由电解产生的工艺热量，在封闭式的冷却剂回路中引导冷却剂，其中，运行布置在容器中的冷却剂泵。

4、下面列出的关于离岸电解设备的优点和优选的设计方案可以相应地应用于运行电解设备的方法。

5、在此，本发明基于以下知识，即越来越大规模地安装的更高功率的离岸风能设备及其不断增长的发电功率需要相应地更高性能的电解设备。因此，预计离岸电解设备的性能等级及其数量相应地在未来将显著上升。由此带来的对在海事环境中可靠且以环境可承受的方式运行的不断提高的要求要得到考虑。由于向更大型的离岸电解设备的规模扩大，环境可承受性的问题成为了讨论的焦点。在此，要确保运行从环境角度来看影响尽可能小。因此，解决运行的冷却任务对于同时实现离岸电解设备的运行可靠性和高性能性尤为重要。

6、根据本发明的离岸电解设备在此首次认识到并克服了用于冷却介质的传统的开放式的冷却方案的缺点。例如，一种概念是直接从海洋泵出并提取海水作为换热器的冷却介质，并且在作用了离岸电解设备的工艺热量以及将热量传递给海水之后，就将该海水直接再次返回到海洋中。这从环境角度来看被证明是非常不利的并且也是需要大量维护的。

7、借助环境空气进行冷却的其他概念需要更大的与大气换热的换热面积以及范围更广的通风机系统或鼓风机来供应冷空气，以实现所需的冷却功率。在离岸使用的此类系统因直接暴露于海事领域的含盐气溶胶而非常容易通过腐蚀而发生故障，并且需要大量的维护开销。

8、利用本发明将克服这些缺点，并且将实现封闭式的容器结构类型的离岸电解设备的可靠且以环境可承受的方式运行，其中，所述离岸电解设备具有布置在容器中的电解器，例如用于产生氢的pem电解器，以及具有布置在容器中的冷却剂泵或在容器上紧密地法兰连接的冷却剂泵。在后一种情况下，在容器和法兰连接的冷却剂泵之间形成壳体单元，从而在以这种方式理解的意义上，冷却剂泵也布置在容器中。通过封闭的冷却回路，实现了通过容器中的传热器吸收设备上的由电解产生的工艺热量。这既避免了通过吸入海水并使其循环来实现冷却目的的应用，也避免了海上在开放式的冷却运行的情况下对于空气冷却显著的腐蚀问题。本发明在此描述了与具有开放式的冷却的传统离岸设备所不同的途径。

9、特别地，由于不吸入海水而是存在封闭式的冷却剂回路，所以避免了上述问题。不会吸入异物，在传热器内部不会形成不希望的无机层或生物污垢，这提高了运行可靠性。尤其是没有将被加热的水排出到环境中。另一优点是，例如，除了(淡)水之外，还可以在封闭式的冷却回路中使用其他特别合适的冷却介质或添加剂，其随后能够显著降低在高的温度水平时对来自容器的工艺热量的吸收、排出以及最后传递到合适的热沉所需的热传递功率和对所要求的表面的设计。

10、在此，在离岸电解设备中，在冷却剂回路中布置有用于输送冷却剂的冷却剂泵。该冷却液泵是相应于冷却功率而设计的。为了保护该冷却剂泵使其免受天气影响，将冷却剂泵置于容器本身中，比如置于离岸电解设备的待冷却的电解器附近。原则上，通过将冷却剂泵比如从外部直接以法兰连接的方式连接至容器，在此也可以实现牢固的联接，从而形成冷却剂泵与容器一体式的壳体单元。因此，保护和冷却概念在本发明的框架内应理解为，即使冷却剂泵通过法兰连接、螺纹连接或以其他方式直接联接至容器，电解器和冷却剂泵也被视为置于同一容器中，其中形成了壳体单元。这对于冷却剂泵上的维护和检查目的尤其有利，因为根据需要可以更容易地从外部接近冷却剂泵。由此，特别敏感的装置，比如电解器、换热器和冷却剂泵对于离岸使用得到了保护，并且该离岸电解设备相应地为离岸运行以特殊方式安装。

11、根据特别优选的设计方案，为了释放由冷却剂吸收的工艺热量，在封闭式的冷却剂回路中设有具有相应地大面积尺寸的换热器表面的传热器，该传热器能沉入到海洋中。通过将设计为具有相应地大面积尺寸的换热器表面的传热器集成到闭合式的冷却回路中，可以实现与所选热沉、即海水特别有效地耦合，并且可沉入性实现将散发的工艺热量从大面积的传热器传递至海水。在此，具有冷却介质的独立于海水的冷却剂回路被证明是特别有利的。

12、因此，本发明提出使用海水作为近乎大的冷却介质储存器中的热沉，其中，在使用封闭式的冷却回路的情况下仅通过沉入到海洋中的传热器释放热量。由此能够对电解实现大的冷却功率，并能够通过冷却剂将来自高功率的离岸电解器的大的热量流传递至海水。从环境角度来看，这种结构的影响很小，尤其是因为冷却剂和海水在物质上解耦。为了使传热器能够沉入到海水中，在离岸电解设备上设置适当地装配的枢转装置和/或提升工具，其实现相应地移动传热器，比如下沉或提升。

13、通过相应的热技术方面的设计，用于大面积的传热器的通常相对大的交换表面可以有利地根据必要的冷却功率来确定尺寸以及进行结构设计。与开放式的冷却概念相比，不再需要使用泵来提取海水、主动将其输送到水面并直接供给给离岸电解设备用于冷却目的。替代地，仅间接地经由大面积的传热器通过对流将热量消散到海水中。

14、为了提供大的热传递面积，传热器、尤其是大面积的传热器有利地具有管道管线，其在引导冷却剂的管道外表面上设计有肋条和/或翅片并且/或者在多个管道弯曲部中引导。

15、采取具有管道管线或管道管线束的这些结构方面的措施是为了提高用于高效热传递的表面积。此处有多种可行方案，例如可以将传热器设计为曲折形的和/或设有翅片的管道。此外，比如在管束传热器中那样，冷却剂的体积流量可以分配到多个并行的管道管线中，以由此获得更大的换热面积。

16、在有利的设计方案中，管道管线、尤其是管道管线束是由钢、优选地由耐腐蚀的不锈钢制成。进一步有利地，管道管线、尤其是管道管线束在外表面上具有腐蚀保护层。

17、原则上，沉入在海水中的大面积的传热器可以是由钢制成。与船舶类似，在此优选地应采取抵抗腐蚀的措施，例如阴极腐蚀保护或使用牺牲性阳极。与此相反，简单的保护涂层会阻碍期望的热传递，因此不推荐使用，除非保护涂层在对要实现的热传递的影响方面是适配和合适的。可以有利地使用足够薄的涂覆层来对抗所谓的污垢，该污垢不会明显地阻碍热传递。换热器和传热器的这种称为“污垢”的污物以及由此带来的清洁总是给运行带来挑战。导致不同沉积物的是高含盐量的水、高温和水中的污物。它们既妨碍了换热器的加热功率也妨碍了换热器的冷却功率。沉积物越坚固越厚，热传递的效果就越差。

18、在尤其有利的设计方案中，腐蚀保护层具有钛。该腐蚀保护层也可以由钛制成。在优选的设计方案中，还可以对大面积的传热器使用整体由钛制成的管道管线。

19、当使用钛作为大面积的传热器的材料时，可以省去这种额外的腐蚀保护层或防污垢涂层，因此这种类型的设计方案是尤其有利的。钛对海水表现出非常好的耐腐蚀性。在使用钛管道时，优选地通过使用合适的绝缘体来分隔材料，以避免与钢部件发生电接触。否则可能存在形成所谓的局部电池的潜在性，该局部电池可能导致腐蚀迹象。局部电池通常是裸眼难以识别的小面积的腐蚀元素(或接触元素)。局部电池可能在两种不同金属的接触部位通过湿气的作用、例如通过气溶胶引起而产生，并且通常会在那里导致严重的腐蚀。

20、在有利的设计方案中，大面积的传热器布置在架子中，该架子包括传热器，并且通过紧固元件将传热器保持就位以用于相应的运行状态。

21、将传热器安置并紧固在架子中显著简化了将传热器沉入到海水中。其对于不同的运行状态的操纵和处理也变得更加容易。由此实现了模块化的结构，其中的模块包括作为结构单元的传热器和架子以及辅助安装件，比如用于管道管线的以连接至离岸电解设备的容器的连接件或法兰连接件。

22、可沉入到海水中的传热器在此安置在架子中，该架子优选地具有物流行业中的标准容器的尺寸。这实现尤为方便地运输传热器并且如果需要的话在确定的运行时间后更换该传热器，这有利于维护和维修目的。

23、因此，优选地将架子与大面积的传热器紧固，使得在需要时可以将其从海水中引出或倾斜出来。

24、优选地，架子与大面积的传热器可以经由可旋转的紧固元件倾斜出来。

25、尤其适宜且有利的是，将沉入到海水中的大面积的传热器在结构上设计成可以借助简单的器件，例如借助绞缆装置将其从水中翻转或倾斜出来。这可以优选地通过在架子上能旋转或能旋转/能倾斜的紧固装置来完成。

26、将大面积的传热器从海水中翻转出来的可行方案是尤其有利的结构上的改进方案，尤其是专门针对在离岸区域中对离岸电解设备的要求而言。可以想到替代的用于传热器的管道，其不需要移除管道段来将传热器翻转出来。比如可以通过可旋转的紧固元件使包围传热器的架子倾斜。利用分别用于去程线路和回程线路的精确地附接在旋转轴线上并定向的相应法兰连接件，只需打开法兰并设置盲盘即可翻转出来。在本发明的意义中，柔性软管或波纹管系统或这些管线元件的组合也可以用作与具有电解器的容器的连接件，以便在不必松开、分离或闭锁管道管线的情况下实现向上翻转或倾斜出来。根据冷却剂回路中去程和回程中的冷却剂的温度水平，这些软管也可以由合适的塑料制成。

27、在尤其有利的设计方案中，离岸电解设备被设计为具有用于从离岸风力涡轮机馈送电流的连接单元。

28、由此，对于离岸风力设备，过量的电流直接在海上用于生产氢，方式是将电流通过连接单元供给给离岸电解设备。

29、可再生能量和生产氢的这种组合对于离岸风电场和位于偏远地区的其他风力设备尤其有利。因为到目前为止，可再生能量的不断扩张也受到网络基础设施的缺乏的影响。例如，在德国，缺少电力线将海洋风流带到内陆并进一步带到德国南部。离岸电解设备在此可以提供帮助。利用该离岸电解设备，在海上产生的电力未来可以直接在现场用于分解海水。

30、在优选的设计方案中，根据本发明的离岸电解设备因此安装在海洋中的离岸平台上。例如，废弃的石油或天然气平台可以用作此类风力电解的基础，如在北海中有大量这些平台。那里生产的氢可以通过现有的天然气管道方便地输送到陆地上的发电厂。

31、在用于运行具有布置在容器中的电解器的离岸电解设备的方法中，为了吸收和排出来自容器的由电解产生的工艺热量，在封闭式的冷却剂回路引导冷却剂，其中，运行布置在容器中的冷却剂泵。如已经在离岸电解设备中所述的那样，布置在容器中的冷却剂泵原则上也理解为通过冷却剂泵的紧密的法兰连接从外部直接固定联接至容器，从而形成冷却剂泵与容器的壳体单元。在本发明的框架中，这应当理解为，即使当冷却剂泵通过法兰连接连接至或联接至容器时，电解器和冷却剂泵也置于同一容器中，其中，形成了壳体单元。

32、在此，在所述方法的特别有利的实施方式中，在封闭式的冷却剂回路中由通过工艺热量加热的冷却剂将热量传递至海水，并由此使冷却剂冷却。

33、优选地，监测海水损害性地进入冷却剂回路。为此，可以使用相应的传感器来检测冷却剂回路中的泄漏。优选地，使用对与海水相关的含盐度相应地敏感地反应的导电率传感器来测量导电率，从而指示海水的不希望的侵入并且可以采取相应的对策。