DE-102024132447-A1 - Verfahren zum Steuern einer Wasserstoffproduktionsanlage

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Wasserstoffproduktionsanlage (320), wobei die Wasserstoffproduktionsanlage (320) mindestens einen Elektrolyseur (322) umfasst, der mittels eines Gleichrichters (328) der Wasserstoffproduktionsanlage (320) mit einem Wechselspannungsversorgungsnetz (326) verbunden ist, umfassend Bereitstellen mindestens eines Netzanforderungsparameters des Wechselspannungsversorgungsnetzes (326), Bereitstellen mindestens eines Anlageanforderungsparameters der Wasserstoffproduktionsanlage (320), Bestimmen zumindest eines Sollblindleistungswerts und eines Sollwirkleistungswerts, derart, dass zumindest der mindestens eine Netzanforderungsparameter und der mindestens eine Anlageanforderungsparameter durch die Wasserstoffproduktionsanlage (320) eingehalten werden, Ermitteln mindestens eines Gleichrichteransteuerparameters, basierend zumindest auf dem bestimmten Sollblindleistungswert und dem bestimmten Sollwirkleistungswert, und Ansteuern des Gleichrichters (328) der Wasserstoffproduktionsanlage (320) mit dem mindestens einen ermittelten Gleichrichteransteuerparameter.

Inventors

• Natividad Jordan Escalona
• Taha Ahmadi
• Guido Triem

Assignees

• RWE GENERATION SE

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20241107

Claims (14)

1. Verfahren zum Steuern einer Wasserstoffproduktionsanlage (320), wobei die Wasserstoffproduktionsanlage (320) mindestens einen Elektrolyseur (322) umfasst, der mittels eines Gleichrichters (328) der Wasserstoffproduktionsanlage (320) mit einem Wechselspannungsversorgungsnetz (326) verbunden ist, umfassend: - Bereitstellen mindestens eines Netzanforderungsparameters des Wechselspannungsversorgungsnetzes (326), - Bereitstellen mindestens eines Anlageanforderungsparameters der Wasserstoffproduktionsanlage (320), - Bestimmen zumindest eines Sollblindleistungswerts und eines Sollwirkleistungswerts, derart, dass zumindest der mindestens eine Netzanforderungsparameter und der mindestens eine Anlageanforderungsparameter durch die Wasserstoffproduktionsanlage (320) eingehalten werden, - Ermitteln mindestens eines Gleichrichteransteuerparameters, basierend zumindest auf dem bestimmten Sollblindleistungswert und dem bestimmten Sollwirkleistungswert, und - Ansteuern des Gleichrichters (328) der Wasserstoffproduktionsanlage (320) mit dem mindestens einen ermittelten Gleichrichteransteuerparameter.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei - das Bestimmen zumindest des Sollblindleistungswerts und des Sollwirkleistungswerts durchgeführt wird, derart, dass mindestens ein definiertes Wirkleistungskriterium des Elektrolyseurs (322) eingehalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , wobei - der Gleichrichter (328) steuerbare IGBTs umfasst, und - das Ermitteln des mindestens einen Gleichrichteransteuerparameter umfasst: - Ermitteln, als mindestens einen Gleichrichteransteuerparameter, mindestens eines Schaltzeitpunkts eines IGBTs, derart, dass der Winkel zwischen Strom und Spannung des mindestens einen IGBTs so ist, dass der bestimmte Sollblindleistungswert und der bestimmten Sollwirkleistungswert eingehalten werden.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei - das Bestimmen zumindest des Sollblindleistungswerts und des Sollwirkleistungswerts auf einem Modell zumindest des Gleichrichters (328) und des Elektrolyseurs (322) basiert, insbesondere der Wasserstoffproduktionsanlage (320).
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei - das Bestimmen zumindest des Sollblindleistungswerts und des Sollwirkleistungswerts mittels mindestens einer Methode durchgeführt wird, ausgewählt aus der Gruppe, umfassend: - Lineare Optimierungs-Methode, - Evolutionäre Algorithmus Methode, und - Partikelschwarmoptimierungs-Methode.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei - der mindestens eine Netzanforderungsparameter einen Blindleistungsbedarf des Wechselspannungsversorgungsnetzes umfasst, und/oder - der mindestens eine Netzanforderungsparameter einen Spannungspegel des Wechselspannungsversorgungsnetzes umfasst.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei - der mindestens eine Anlageanforderungsparameter einen gewünschten Betriebsparameter des Elektrolyseurs (322) umfasst, insbesondere eine zu produzierende Wasserstoffmenge.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei - der mindestens eine Anlageanforderungsparameter mindestens einen zulässigen Betriebsgrenzparameter der Wasserstoffproduktionsanlage (320) umfasst.
9. Verfahren nach Anspruch 8 , wobei - der mindestens eine zulässige Betriebsgrenzparameter ein minimal generierbarer Blindleistungsgrenzwert des Gleichrichters (328) ist und/oder ein maximal generierbarer Blindleistungsgrenzwert des Gleichrichters (328), und/oder - der mindestens eine zulässige Betriebsgrenzparameter eine minimal generierbare Wasserstoffmenge des Elektrolyseurs (322) ist und/oder eine maximal generierbare Wasserstoffmenge des Elektrolyseurs (322).
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei - die Wasserstoffproduktionsanlage (320) mindestens eine Hilfsproduktionsvorrichtung (324) umfasst, - der mindestens eine Anlageanforderungsparameter ein Blindleistungsparameterwert der mindestens einen Hilfsproduktionsvorrichtung (324) umfasst.
11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüchen, ferner umfassend: - Erfassen des Netzstroms und der Netzspannung, und - Bestimmen der Netzwirkleistung und der Netzblindleistung.
12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend: - Bereitstellen mindestens eines Schutzmechanismus zum Schützen zumindest des Gleichrichters (328) vor in dem Wechselspannungsversorgungsnetz (326) auftretenden Störungen.
13. Steuervorrichtung (100, 300) für eine Wasserstoffproduktionsanlage (320), wobei die Wasserstoffproduktionsanlage (320) mindestens einen Elektrolyseur (322) umfasst, der mittels eines Gleichrichters (328) der Wasserstoffproduktionsanlage (320) mit einem Wechselspannungsversorgungsnetz (326) verbunden ist, umfassend: - mindestens ein Bestimmungsmodul (102, 302), eingerichtet zum Erhalten mindestens eines Netzanforderungsparameters des Wechselspannungsversorgungsnetzes (326) und mindestens eines Anlageanforderungsparameters der Wasserstoffproduktionsanlage (320), - wobei das Bestimmungsmodul (102, 302) eingerichtet ist zum Bestimmen zumindest eines Sollblindleistungswerts und eines Sollwirkleistungswerts, derart, dass zumindest der mindestens eine Netzanforderungsparameter und der mindestens eine Anlageanforderungsparameter durch die Wasserstoffproduktionsanlage (320) eingehalten werden, und - mindestens eine Ansteueranordnung (104, 304), eingerichtet zum Ermitteln der Gleichrichteransteuerparameter, basierend zumindest auf dem bestimmten Sollblindleistungswert und dem bestimmten Sollwirkleistungswert, - wobei die Ansteueranordnung (104, 304) eingerichtet ist zum Ansteuern des Gleichrichters (328) der Wasserstoffproduktionsanlage (320) mit dem mindestens einen ermittelten Gleichrichteransteuerparameter.
14. Wasserstoffproduktionsanlage (320), umfassend: - mindestens einen Elektrolyseur (322), der mittels eines Gleichrichters (328) der Wasserstoffproduktionsanlage (320) mit einem Wechselspannungsversorgungsnetz (326) verbunden ist, und - mindestens eine Steuervorrichtung (100, 300) nach Anspruch 13 .

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Wasserstoffproduktionsanlage. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Steuervorrichtung und eine Wasserstoffproduktionsanlage. In der heutigen Zeit gewinnt die Wasserstoffproduktion immer mehr an Bedeutung. Insbesondere wird davon ausgegangen, dass Wasserstoff bei der Umgestaltung der Energieversorgung von fossilen Brennstoffen auf eine nachhaltige Energieversorgung eine wichtige Rolle einnehmen wird. So ist Wasserstoff vielseitig einsetzbar, insbesondere als Grundlage für alternative Treibstoffe und/oder als Prozessgas. Zur Erzeugung von Wasserstoff werden vermehrt Wasserstoffproduktionsanlagen bzw. -systeme errichtet, sowohl an Onshore-Standorten als auch an Offshore-Standorten. Eine Wasserstoffproduktionsanlage umfasst mindestens einen Elektrolyseur. Ein Elektrolyseur ist eingerichtet zum Generieren von Wasserstoff. Insbesondere ist ein Elektrolyseur eingerichtet zum Durchführen einer (Wasser-) Elektrolyse. Bei der Elektrolyse wird unter Anwendung von elektrischer Energie bzw. Leistung eine Redoxreaktion erzwungen und hierdurch Wasserstoff (und Sauerstoff) generiert. Neben dem mindestens einen Elektrolyseur kann eine Wasserstoffproduktionsanlage mindestens eine Hilfsproduktionsvorrichtung umfassen. Die mindestens eine Hilfsproduktionsvorrichtung (insbesondere sämtliche Hilfsproduktionsvorrichtungen (z.B. sämtliche weitere elektrische Verbraucher, wie Pumpen, Heizungen, Elektromotoren) der Wasserstoffproduktionsanlage) kann auch als BoP (Balance of Plant) bezeichnet werden. Eine Wasserstoffproduktionsanlage ist in der Regel mit einem Wechselspannungsversorgungsnetz elektrisch verbunden. Das Wechselspannungsversorgungsnetz ist eingerichtet zum Versorgen der Wasserstoffproduktionsanlage mit elektrischer Energie bzw. Leistung. Da ein Elektrolyseur in der Regel mit Gleichspannung betrieben wird, umfasst eine Wasserstoffproduktionsanlage einen Gleichrichter. Der Gleichrichter ist insbesondere zwischen dem Wechselspannungsversorgungsnetz und dem Elektrolyseur geschaltet und wandelt die Wechselspannung in Gleichspannung. Bei einer Wasserstoffproduktionsanlage wird aufgrund des nichtlinearen Verhaltens der angeschlossenen Lasten Blindleistung aus dem Wechselspannungsversorgungsnetz bzw. Wechselstromnetz genutzt. Daher benötigen Elektrolyseursysteme umfangreiche Filter und/oder Kondensatoren, um diese Blindleistung auszugleichen. Die Blindleistung stammt von unterschiedlichen elektrischen Geräten, die insbesondere von unterschiedlichen Anbietern bereitgestellt werden. Dies führt im Stand der Technik dazu, dass mehrere Kompensatorvorrichtungen in der Wasserstoffproduktionsanlage bzw. in deren elektrischen System erforderlich sind. Dies wiederum führt zu einer erhöhten Komplexität der Wasserstoffproduktionsanlage mit entsprechend erhöhten Kosten. Darüber hinaus werden seitens der Netzstromversorger bzw. Netzbetreiber Forderungen gestellt, unter anderem zur Unterstützung des Stromnetzes bei der Kompensation der Blindleistung des Stromnetzes und der Überwindung kurzfristiger Netzfehler (z. B. Schwankungen in der Frequenz und Spannung des Stromnetzes). Darüber hinaus ist die Stabilität bei einem Elektrolyseur einer Wasserstoffproduktionsanlage aufgrund des erheblichen Leistungs- bzw. Energiebedarfs ein kritischer Faktor. Diese Instabilitäten können zur Instabilität des Stromnetzes führen. Die aus dem Stand der Technik bekannten Steuerverfahren für Elektrolyseure sind jedoch nicht ausreichend, um die Stabilität zu gewährleisten, beispielsweise bei einer Änderung der Gleichrichterbetriebsart. Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, bei einer Wasserstoffproduktionsanlage einen Gleichrichter einzusetzen, um die Wechselspannung des Wechselspannungsversorgungsnetzes in eine von dem mindestens einen Elektrolyseur benötigten Gleichspannung zu wandeln, wie bereits beschrieben wurde. So können beispielsweise Dreiphasengleichrichter mit IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor) -Schaltern eingesetzt werden, um die Gleichspannung zu erzeugen. Trotz der fortschrittlichen Schalttechniken, die von derartigen Gleichrichtern eingesetzt werden, um einen günstigen Leistungsfaktor aufrechtzuerhalten, weisen die an den Elektrolyseur angeschlossenen (erheblichen) elektrischen Lasten regelmäßig einen niedrigen Leistungsfaktor auf. Ein niedriger Leistungsfaktor führt zu unerwünschten harmonischen Verzerrungen im Wechselspannungsversorgungsnetz. Um insbesondere die Probleme des niedrigen bzw. nicht optimalen Leistungsfaktors und/oder der harmonischen Verzerrungen zu reduzieren, sind aus dem Stand der Technik Wasserstoffproduktionsanlagen bekannt, welche Filter, dynamische Blindleistungskompensatoren (auch als DRPCs bezeichnet) und/oder statische Blindleistungskompensatoren (auch als SRPCs bezeichnet) umfassen. Zwar verbessern entsprechende Bauteile den Leistungsfaktor des Elektrolyseurs und reduzieren insbesondere die ungewünschten Oberschwingungen. Jedoch bringen diese zusätzlichen Ba