用于在电解设备内分配电能的方法与流程

本发明涉及一种如权利要求中所说明的用于在用于产生氧气和氢气的电解设备内分配电能的方法。该方法被设置用于在电解设备的单个部件的高效率和延长的使用寿命的同时，灵活地设计用于产生氧气和氢气的电解的过程。

背景技术：

1、在ep2350352b1中示出一种用于将电能分配到多个电解器模块的方法。然而，通过该方法，电解设备的可用性仅有限地令人满意。

技术实现思路

1、本发明的任务是，克服现有技术的缺点并且提供一种方法，借助该方法该电解设备的使用在其应用范围方面得到扩展并且在电解过程的设计方案方面得到改善。

2、该任务通过根据权利要求的方法来解决。

3、根据本发明规定一种用于在用于产生氧气和氢气的电解设备内分配电能的方法。电解设备包括系统控制装置、至少两个管理器件，其中，所述至少两个管理器件包括相应至少一个管理控制装置和相应至少两个电解装置。在此意义上，管理器件应理解为电解设备的功能性部分区域。分配方法包括以下方法步骤：

4、-经由所述系统控制装置的通信接口，检测由供电部能获得和能使用的电能的供应容量；

5、-通过所述系统控制装置为所述至少两个管理器件之中的每个管理器件求取相应的额定运行范围；

6、-将按规定的额定运行范围传送给所述至少两个管理器件之中的相应的管理器件；

7、-通过相应的管理器件的相应的管理控制装置求取用于每个电解装置的一个相应的额定工作状态或多个额定工作状态；

8、-将按规定的额定工作状态预设给相应的电解装置；

9、根据本发明的方法的特征还在于，所述至少两个管理器件的相应的管理控制装置借助相应的状态检测装置求取每个电解装置的运行特征值。由所求取的运行特征值推断出电解装置内的电解过程。因此例如能够实现确定电解装置的当前的工作状态。

10、此外，所述至少两个管理器件的相应管理控制装置在运行特征值的辅助下求取管理器件的能提供的处理容量并将能提供的处理容量传送给系统控制装置。因此，能提供的处理容量是接收用于执行整个管理器件的电解的电功率的可能的能力。

11、系统控制装置在所述至少两个管理器件的能提供的处理容量和由供电部能获得和能使用的供应容量之间实施调准。如果示例性地所述能提供的处理容量等于能获得和能使用的供应容量，则电解设备的可能的运行方式是，根据能提供的处理容量将完全的能获得和能使用的供应容量用于电解过程。

12、基于各所述容量的这种调准和当前可能的和/或历史的之前的额定运行范围，所述系统控制装置为所述至少两个管理器件之中的每个管理器件求取经适配的额定运行范围并且将该经适配的额定运行范围预设给所述至少两个管理器件。于是所述至少两个管理器件之中的每个管理器件按照量被分配对应于相应额定运行范围的由供电部能获得和能使用的电能。

13、每个管理控制装置基于相应适配的额定运行范围分别求取用于电解装置的经适配的额定工作状态并且将这些额定工作状态预设给与相应的管理器件耦联的电解装置。然后由管理控制装置向每个电解装置按照量地分配与相应额定工作状态对应的电能。

14、根据本发明的方法带来令人惊讶的优点，即，所述至少两个管理器件中的每个管理器件以彼此独立的方式运行并且所有电解装置以彼此独立的方式运行，其中，同时在尽可能好的效率范围中执行电解过程，而与能获得和能使用的供应容量无关。例如如果能获得和能使用的供应容量小于能提供的处理容量，则通过在各所述容量之间的调准提供如下可能性，即，所述至少两个供应器件中的第一供应器件在充分利用所有分配给其的电解装置的情况下运行，而各所述供应器件中的第二供应器件在利用分配给其的电解装置的一部分的情况下运行。

15、同样，通过所公开的分配方法产生了有利的效果，即，基于相应状态检测装置的检测值，在尽可能有利的使用寿命方面运行多个单个的电解装置。这通过求取处理容量实现。因此例如电解装置可以在定义的时间段内承受超负荷或欠负荷，尽管在随后的工作状态中会对电解装置的部件定时进行修复或保护。因此在电解设备的持续运行期间，也可以将电解装置转换到维护状态中，而不会损坏电解设备的继续高性能的运行。这种可能性同样适用于整个供应器件，因为通过所公开的方法可以实现供应装置相互间完全独立的运行以及电解装置相互间完全独立的运行。

16、所呈现的分配方法的另外的优点是，电解装置不必在可实现的电功率方面基于确定的性能能力。通过供应装置的状态检测装置，借助运行特征值可求取电解装置的可能的工作状态。这进一步带来的优点是，将考虑在电解装置的可实现的电功率方面的性能能力的降低。这种降低例如可能由于电解装置内的活性部件的由过程引起的消耗或由于老化等而出现。因此，由于排除了不希望的超负荷，因此随后通过本发明的分配方法提高了电解设备的安全性。

17、此外可以适宜的是，由能量产生器、由能量产生设备、由能量产生组织和/或由能量供应服务商、尤其是由可再生能量源来提供供电部。例如通过生物燃气、太阳能、水力或风能的电力产生可再生的能量在白天和季节性过程中经受强烈的波动。通过使用这样的源，根据本发明的分配方法的优点甚至更多，因为通过在能提供的处理容量和能获得和能使用的供应容量之间的调准，对能获得和能使用的供应容量的波动做出反应。同时，通过应用分配方法，电解设备在任何情况下都以对于相应运行点最佳的效率运行。因此实现对可再生能量源的尽可能高的利用程度。

18、此外，可以规定，用于所述至少两个管理器件的相应的额定运行范围包括至少一个运行方式加上电功率的可实现的消耗。在此有利的是，可以预设用于供应器件的准备运行。主要鉴于可能的减小的供应容量，因此，尽管可实现的电功率吸收等于零，但是供应器件可以保持准备或被置于准备中。因此电解设备的部件(该部件通过完全停机由于其化学特性而倾向于退化或构造损害)通过准备运行是能保护的。

19、此外可以规定，所述系统控制装置通过能提供的处理容量与能使用的供应容量之间的调准被设置成用于，求取至少一个运行方式，尤其是冲洗运行、空转运行、维护运行、应急运行、起动运行、关断运行和/或电解运行。在此有利的是，扩展电解设备的应用范围。因此例如可以以预见性的方式预设冲洗运行，以用于利用随后的空转运行准备电解装置。从空转运行可以直接实现起动运行和具有相应的能获得和能使用的供应容量的运行，也就是实现电解运行。因此决定性地减少电解设备对供应容量的变化的反应时间。随后，由此能够以高性能的方式来实现用于对供电网络进行调节服务的运行。同时，通过预设运行方式的可行方案，可以以保护使用寿命的方式运行电解装置的部件，尤其是当例如使用具有离子交换膜的电解装置时。

20、也有利的是一种实施方案，根据该实施方案可以规定，用于电解装置的相应的额定工作状态包括电功率的至少一个消耗，该电功率通过电解过程使用。在此有利的是，电解装置在没有任何控制或调节装置的情况下运行。相应额定工作状态由供应器件预设给电解装置并且已经包含电功率，所述电功率由电解装置通过电解的过程实现。尤其是，通过额定工作状态向电解装置施加电压，由此氢气的目标产量是可调节的。

21、此外可以规定，运行特征值被定义为由测量参量构成的参数组，该参数组至少包括电功率吸收、电解质或电池单体温度、电解质的体积流量、所产生的氢气的压力、电解质的压力和/或纯度。在此有利的是，可以识别和观察电解装置的准确的技术状态。例如因此可以以最佳的方式根据需要来确定和规划维护间隔，因为对此的必要性可以通过运行特征值来确定。同时，提高了电解设备的安全性，因为可能的功能故障的出现通过在考虑运行特征值的情况下的状态监控的可能性被提早识别到或者甚至可提前得出。此外有利的是，由此提高了电解装置的在工作状态变化方面的动态性并且因此整个电解设备可以以高性能的方式对供应容量的变化做出反应。应注意的是，所使用的术语电解质也包括醇或超纯水。

22、随后，可以通过运行特征值建立数字孪生，这具有广泛的积极结果。例如因此能够将该设备的数字画像用于预测未来的运行状态并且用于识别运行中的异常或者识别电解装置的活性材料的由过程引起的退化。因此电解设备的可用性也被扩展，因为可以在各电解装置之间执行比较。

23、根据一种改进方案，管理器件的每个状态检测装置可以至少分别包括一组等同的用于每个电解装置的传感器，其中，所述状态检测装置预设每个传感器的活动状态。在此有利的是，传感器可以根据其需求被激活或被置于静止状态中。因此可以与能获得和能使用的供应容量相协调地实现电解设备的节能的控制和调节运行。

24、此外可以规定，由每个管理控制装置通过在所述设备的运行期间监控运行特征值求取用于每个电解装置的状态特征，所述状态特征至少包括相应的电解装置的效率、工作状态、预期的剩余使用寿命、起动行为和/或功率裕度。在此有利的是，在所述管理控制装置内通过所述状态特征能够实现对各个电解装置的评价。因此在供应器件内的电能分配以理想的方式关于电解装置能实现。此外，通过所求取的状态特征，结构上不同的电解装置在相应一个供应器件中的可使用性可以以改进的方式实现，这随后有利于电解装置的可比性和可探测性(auslotbarkeit)。因此与所求取的运行特征值配合作用，也可以在性能和安全性方面更好地评价工作状态。例如对于时间控制的过程、例如电解质再生、维护、替换、冲洗、气泡分离诱导或加热和冷却的时间间隔可以更好地被估计。

25、此外有利的是，每个管理器件的处理容量通过由电解装置可实现的工作状态和相应的管理控制装置的电解装置的元信息来求取。在这种情况下，可实现的工作状态可理解为，多个单个的不直接关联的工作状态是可能的，由这些工作状态求取每个管理器件的处理容量。由此得到的有利效果是，已经可以在电解装置的最佳工作状态方面执行由处理容量与能获得和能使用的供应容量的调准。因此对此扩展地在调准中以直接的方式已经考虑到特别的工作状态，例如冲洗运行或维护运行，这总体上有利于分配方法的效能，因为节省了调准的控制回路。此外，将电解装置的元信息传送到系统控制装置，以便例如能够提前识别电解装置的故障行为。

26、此外，可以有利的是，借助于相应的阻力功能来适配用于每个电解装置的按规定的额定工作状态，所述阻力功能形成针对相应电解装置的不利工作状态，尤其是在相应电解装置的安全性、效率和/或使用寿命方面不利的工作状态的加权应对措施。由此得出如下优点，即，在电解装置的控制部内引入方法流程中的冗余回路，以便提高电解设备的安全性。同时，与供应控制装置调准的阻力功能提高了分配方法的效能，使得对每个电解装置以改进的方式适配额定工作状态。

27、此外，分配方法的有利扩展方案可以是，通过相应的阻力功能可触发电解装置的阻断状态，该阻断状态阻止电能的分配和/或影响供应电解质。因此有利地可能的是，将单个电解装置从电解过程中分离出来。同时这具有的优点是，在其余的电解设备中，分配方法和由此运行不被该措施影响地继续进行。因此提高了电解设备的安全性，同时保持高可用性。

28、此外还可以有利的是，借助相应的加权功能来适配用于每个管理器件的按规定的额定运行范围。在此，加权功能被实现为针对相应管理器件的不利的运行状态的加权应对措施，其中，指的是尤其是在相应的管理器件的安全性、效率和/或使用寿命方面不利的运行状态。这具有的优点是，在相应管理控制器件内的每个管理器件包含控制和/或调节回路，以用于保护和/或用于优化其自身运行。因此随后产生了有利的效果，即，在电解设备的每个分级层面中可以使用电解设备的部件的相应的控制和/或调节回路，这导致相应控制装置的所需计算容量的减小。由于所需的计算容量减小，整个分配方法是实时的，这在电解设备的预测的和反应迅速的利用方面随之带来广泛的积极结果。

29、根据有利的改进方案可以规定，所述电解设备为了供应所述至少两个管理器件包括至少一个水准备部、水储箱、供水单元、用于氢气的压力保持和/或气体准备单元、热交换器单元和/或变流单元，其中，它们与所述系统控制装置耦联。因此得出的优点是，可组合的供应结构以集中的方式布置在电解设备内。因此实现了这样的可能性，即，管理器件能够以独立的方式运行。这主要通过在所公开的分配方法中的系统控制装置和供应控制装置的配合作用而得到。控制装置分别接管对本身封闭的控制和调节范围并且能够彼此不受影响地运行。这反映在电解设备的结构设计方案中。

30、此外可以适宜的是，所述至少两个管理器件之中的每个管理器件为了供应所述相应至少两个电解装置至少包括电解质储存箱、电解质准备装置、电解质泵装置、热传递单元和/或配流单元，其中，它们与所述管理控制装置耦联。在任何情况下，相应的管理器件都包括配属给其的管理控制装置，所述管理控制装置被设置用于控制和/或调节相应的管理器件。通过这种可能的设计方案得出封闭的电解质供应和用于每个电解装置的电解过程的本身封闭的调节和/或控制。由此有利于根据本发明的分配方法，使得供应控制装置的独立性也在结构上的设计方案中得以看到。因此工作状态特别在安全技术措施方面可以在整个范围上通过供应控制装置来实施。同时因此能够有效地设计每个供电器件内的电解过程，因为电解质流能够以更精确的协调适配于每个供应器件内的电解装置的要求。此外由此得到的优点是，供应器件能够在结构上彼此不同地设计，其中，同时，尤其在结构上不同地在供应器件的处理容量方面使用所公开的分配方法。

31、此外可以有利的是，借助系统控制装置的通信接口能够建立与至少一个另外的电解设备、基于因特网的接口和/或数据库服务器的双向通信连接。在此有利的是，系统控制装置借助通信接口可以以理想的方式执行在能获得和能使用的供应容量和能使用的处理容量之间的调准。因此例如可以通过备选的数据源在可能的将来的供应容量方面进行预测的或预见性的调准。此外，分配方法的优点在于这样增强电解设备，即例如多个电解设备的虚拟的联合以理想的方式并且在充分利用整个设备池的尽可能理想的利用的情况下通过在各参与者之间的双向的通信可能性来实现。在对由参与者构成的设备池进行预测性控制的意义上，单个电解设备也可以为管理控制装置预设不是效率最佳的额定运行范围，如果从中产生在时间方面较晚的利用的话。例如对此还指出可利用电解设备的分配方法用于调节服务。因此，尤其通过关于氢气的产量的按需运行，电解设备的分配方法的应用范围被扩展到车队车辆、氢气存储器加充或在工业应用中的直接消耗器的供应。

32、根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述系统控制装置被设置用于基于历史的和/或当前的处理容量和/或基于外部数据来执行设备分析，所述外部数据由所述通信接口接收。在此有利的是，设备分析在电解设备的估计或预测的运行方面在趋势分析的意义上是可用的。这样可以进行高性能的运行，因为在较长的持续时间上并且也在电解设备的理想的运行经济的利用方面提高利用率并且因此提高电解设备的经济性，尤其是相对于没有集成的设备分析的设备而言。