DE102023003497A1

DE102023003497A1 - Process for fumigating an aquaculture facility with oxygen

Info

Publication number: DE102023003497A1
Application number: DE102023003497.5A
Authority: DE
Inventors: Andreas Peschel; Franziska Engel; Manuel Knaup; Martin Stadler; Sebastian Ulmer; Harald Klein; Steffen Fahr
Original assignee: Freistaat Bayern Technische Univ Muenchen; Freistaat Bayern Technische Universitaet Muenchen; Linde GmbH
Current assignee: Freistaat Bayern Technische Univ Muenchen; Freistaat Bayern Technische Universitaet Muenchen; Linde GmbH
Priority date: 2023-08-24
Filing date: 2023-08-24
Publication date: 2025-02-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Begasung einer Aquakulturanlage (150), die zur Aufzucht und/oder Haltung von Nutztieren, insbesondere Fischen und/oder Krustentieren, eingerichtet ist, mit einem sauerstoffhaltigen ersten Gasstrom, umfassend eine Elektrolyse (130), unter Verwendung von elektrischer Energie, eines zumindest eine sauerstoffhaltige Verbindung enthaltenden Einsatzstroms unter Erhalt von zumindest einem ersten elementaren Sauerstoff enthaltenden Produktstrom sowie zumindest einem weiteren Produktstrom, eine Verwendung des zumindest einen weiteren Produktstroms in einem wertschöpfenden Prozessschritt (160, 170) stromab der Elektrolyse (130) und eine Verwendung des zumindest einen ersten Produktstroms zur Bereitstellung (140) des ersten Gasstroms. Ferner wird eine Anlage (100) zur Durchführung eines solchen Verfahrens vorgeschlagen.

The invention relates to a method for gassing an aquaculture plant (150) which is set up for breeding and/or keeping livestock, in particular fish and/or crustaceans, with an oxygen-containing first gas stream, comprising an electrolysis (130) using electrical energy, a feed stream containing at least one oxygen-containing compound to obtain at least a first product stream containing elemental oxygen and at least one further product stream, a use of the at least one further product stream in a value-added process step (160, 170) downstream of the electrolysis (130) and a use of the at least one first product stream to provide (140) the first gas stream. Furthermore, a plant (100) for carrying out such a method is proposed.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Begasung einer Aquakulturanlage, die zur Aufzucht und/oder Haltung von Nutztieren, insbesondere Fischen und/oder Krustentieren, eingerichtet ist, mit einem sauerstoffhaltigen Gasstrom.The invention relates to a method and a system for fumigating an aquaculture system which is designed for breeding and/or keeping farm animals, in particular fish and/or crustaceans, with an oxygen-containing gas stream.

Hintergrund der ErfindungBackground of the invention

Aquakulturenaquaculture

Seit Jahren übersteigt die weltweite Nachfrage nach Fisch die Menge an Fisch, die nachhaltig aus Wildbeständen gefangen werden kann. Aquakulturen stellen eine alternative Fischquelle dar und tragen zur Erhaltung der Wildfischpopulationen bei. Damit Aquakulturen rentabel sind, muss eine bestimmte Mindestdichte von Fischen pro Wasservolumen erreicht werden. Der Transport von gelöstem Sauerstoff zu den Fischen kann die Anzahl der Fische pro Wasservolumen in einer Aquakultur begrenzen, insbesondere wenn die Fischbecken aus Umweltschutzgründen keine direkte Strömungsverbindung zu offenen Gewässern haben. Daher wurden technische Lösungen vorgeschlagen, um die Sauerstoffversorgung in einem solchen Becken künstlich zu verbessern, z.B. in EP2198704A1 . Die Idee besteht darin, ein sauerstoffreiches Gas im Wasser zu verteilen, um den Massentransfer von Sauerstoff in das Wasser zu fördern. Die Verwendung von hochreinem Sauerstoff anstelle von Umgebungsluft erhöht den Sauerstoffpartialdruck in der Gasphase um einen Faktor von bis zu 4,8, wodurch sich der erreichbare Gehalt an gelöstem Sauerstoff in der Flüssigphase nach dem Henry'schen Gesetz um etwa den gleichen Faktor erhöht. Die Injektion von reinem gasförmigem Sauerstoff in Wasser kann darüber hinaus für das Stickstoffstripping von Vorteil sein. Herkömmlicherweise wird Sauerstoff in großen Luftzerlegungsanlagen erzeugt und als kryogene Flüssigkeit zum Einsatzort, d. h. zur Aquakultur, transportiert.For years, the global demand for fish has exceeded the amount of fish that can be sustainably caught from wild stocks. Aquaculture provides an alternative source of fish and contributes to the maintenance of wild fish populations. For aquaculture to be profitable, a certain minimum density of fish per volume of water must be achieved. The transport of dissolved oxygen to the fish can limit the number of fish per volume of water in an aquaculture, especially if the fish tanks do not have a direct flow connection to open waters for environmental reasons. Therefore, technical solutions have been proposed to artificially improve the oxygen supply in such a tank, e.g. in EP2198704A1 . The idea is to disperse an oxygen-rich gas in the water to promote the mass transfer of oxygen into the water. Using high purity oxygen instead of ambient air increases the partial pressure of oxygen in the gas phase by a factor of up to 4.8, thereby increasing the achievable dissolved oxygen content in the liquid phase by about the same factor according to Henry's law. Injecting pure gaseous oxygen into water can furthermore be beneficial for nitrogen stripping. Traditionally, oxygen is produced in large air separation plants and transported as a cryogenic liquid to the point of use, i.e. aquaculture.

Neben der Sauerstoffzufuhr können Aquakulturen zusätzliche Ausrüstungen enthalten, die ein gutes Wachstum der in der Aquakultur lebenden Fische gewährleisten und gleichzeitig die Häufigkeit von Inspektionen vor Ort verringern, z. B. automatische Fütterungseinheiten und Fernsensoren zur Überwachung der Fische und der Wasserqualität.In addition to oxygenation, aquaculture systems may include additional equipment to ensure good growth of the fish living in the aquaculture system while reducing the frequency of on-site inspections, such as automatic feeding units and remote sensors to monitor fish and water quality.

Grüne WasserstoffproduktionGreen hydrogen production

Der Übergang von einer auf fossilen Brennstoffen basierenden zu einer nachhaltigen und emissionsfreien Produktion von Energie und Chemikalien erfordert einen Paradigmenwechsel in der Prozess- und Energieindustrie. Da die meisten erneuerbaren Energien aus direkten Stromquellen (Wind und Photovoltaik) stammen, wird der Netto-Energiefluss in Zukunft von elektrischer zu chemischer Energie und nicht wie bisher von chemischer zu elektrischer Energie erfolgen. Grüner Wasserstoff, der mit Hilfe von Strom aus erneuerbaren Energiequellen aus Wasser hergestellt wird, gilt weithin als wichtigster Wegbereiter für diesen Wandel.The transition from fossil fuel-based to sustainable and emission-free production of energy and chemicals requires a paradigm shift in the process and energy industries. Since most renewable energy comes from direct electricity sources (wind and photovoltaics), the net energy flow in the future will be from electrical to chemical energy, rather than from chemical to electrical energy as before. Green hydrogen, produced from water using electricity from renewable energy sources, is widely considered to be the key enabler of this change.

Grüner Wasserstoff wird durch die Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mit Hilfe von erneuerbarem Strom erzeugt. Die Niedertemperatur-Elektrolyse wie die alkalische Elektrolyse (AEL), die Protonenaustauschmembran-Elektrolyse (PEMEL) und die Anionenaustauschmembran-Elektrolyse (AEMEL) können eingesetzt werden, um hochreinen Wasserstoff und gegebenenfalls einen Nebenproduktstrom mit 90 % oder mehr Sauerstoff zu erzeugen. Von diesen Technologien können PEMEL und AEMEL der Kategorie der Niedertemperatur-Elektrolyse auf Membranbasis zugeordnet werden, während bei AEL ein Diaphragma zur Trennung des Anoden- und Kathodenraums jeder Elektrolysezelle verwendet wird. Die membrangestützte Elektrolyse kann mit Differenzdruck arbeiten, d. h. der Druck im Anodenraum unterscheidet sich deutlich vom Druck im Kathodenraum einer Elektrolysezelle. Außerdem zeichnen sich Elektrolyseure dieser Kategorie durch ein gutes Lastwechselverhalten und eine kompakte Bauweise aus. Hochtemperatur-Elektrolysen wie die Festoxid-Elektrolysezelle (SOEC) können zur Aufspaltung von Wasserdampf in Wasserstoff und Sauerstoff verwendet werden, benötigen jedoch einen Spülgasstrom (z. B. Luft), um den Sauerstoff aus der Zelle zu transportieren, und sind daher für die Erzeugung eines Stroms mit einem Sauerstoffgehalt von 90 % oder mehr weniger gut geeignet.Green hydrogen is produced by splitting water into hydrogen and oxygen using renewable electricity. Low-temperature electrolysis such as alkaline electrolysis (AEL), proton exchange membrane electrolysis (PEMEL) and anion exchange membrane electrolysis (AEMEL) can be used to produce high-purity hydrogen and, if necessary, a by-product stream containing 90% or more oxygen. Of these technologies, PEMEL and AEMEL can be assigned to the category of membrane-based low-temperature electrolysis, while AEL uses a diaphragm to separate the anode and cathode compartments of each electrolysis cell. Membrane-based electrolysis can operate with differential pressure, i.e. the pressure in the anode compartment is significantly different from the pressure in the cathode compartment of an electrolysis cell. In addition, electrolyzers in this category are characterized by good load cycling behavior and a compact design. High-temperature electrolysis such as the solid oxide electrolysis cell (SOEC) can be used to split water vapor into hydrogen and oxygen, but requires a purge gas stream (e.g. air) to transport the oxygen out of the cell and is therefore less suitable for producing a stream with an oxygen content of 90% or more.

Um den zusätzlichen Strombedarf zu decken, der sich aus der Notwendigkeit ergibt, Chemikalien und Kraftstoffe elektrisch herzustellen, ist eine zusätzliche Energieerzeugung erforderlich. Durch die direkte Kopplung der Energieerzeugung an die Produktion von grünem Wasserstoff können die Kosten für die Infrastruktur und die Verluste bei der Stromübertragung verringert werden. Ein Beispiel für eine erneuerbare Energiequelle mit großem Energieerzeugungspotenzial und einem guten Auslastungsfaktor ist die Offshore-Windenergie. Die Kopplung von Offshore- oder Nearshore-Windenergie mit Elektrolyseuren vor Ort führt zu einer hohen Auslastung der angeschlossenen Elektrolyseure und zu einem erheblichen Einsparpotenzial bei der Übertragungsinfrastruktur. Die membranbasierte Niedertemperatur-Elektrolyse eignet sich aufgrund der kompakten Bauweise und der einfachen Wartung besonders für die Kopplung mit Offshore-Windkraftanlagen. Darüber hinaus ist Wasserkraft aufgrund ihres ausgezeichneten Lastfaktors und ihrer geringen Volatilität seit jeher eine bevorzugte Stromquelle für den Betrieb von Elektrolyseanlagen.To meet the additional electricity demand resulting from the need to produce chemicals and fuels electrically, additional energy generation is required. By directly coupling energy generation to the production of green hydrogen, infrastructure costs and losses in electricity transmission can be reduced. An example of a renewable energy source with large energy generation potential and a good load factor is offshore wind energy. Coupling offshore or nearshore wind energy with on-site electrolyzers results in high utilization of the connected electrolyzers and significant savings potential in transmission infrastructure. Membrane-based low-temperature electrolysis is particularly suitable for coupling with offshore wind turbines due to its compact design and easy maintenance. In addition, hydropower is a popular choice due to its excellent load factor and low energy consumption. volatility has always been a preferred source of electricity for operating electrolysis plants.

Offenbarung der Erfindungdisclosure of the invention

Um die in Zukunft knapper werdenden energetischen Ressourcen möglichst effizient zu nutzen, ist es wünschenswert, sämtliche Potentiale zur Effizienzsteigerung zu nutzen.In order to use energy resources, which will become increasingly scarce in the future, as efficiently as possible, it is desirable to exploit all potentials for increasing efficiency.

Diese Aufgabe wird durch Verfahren und Anlagen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Insbesondere bedient sich die Erfindung der Maßnahme, einen unter Verwendung einer Elektrolyse erzeugten Sauerstoff enthaltenden Gasstrom zur Begasung einer Aquakulturanlage zu nutzen. Typischerweise fällt Sauerstoff als „Abfallprodukt“ einer Elektrolyse an, insbesondere im Falle einer Wasser- und/oder Kohlenstoffdioxid-Elektrolyse. Durch die Nutzung des Sauerstoffs in der Aquakulturanlage erhöht sich deren Ertrag, wodurch die in die Erzeugung des Sauerstoffs investierte Energie sinnvoll genutzt ist.This object is achieved by methods and systems according to the independent patent claims. In particular, the invention makes use of the measure of using a gas stream containing oxygen generated using electrolysis to gas an aquaculture system. Oxygen is typically produced as a "waste product" of electrolysis, particularly in the case of water and/or carbon dioxide electrolysis. Using oxygen in the aquaculture system increases its yield, which means that the energy invested in generating the oxygen is used sensibly.

Im Einzelnen umfasst ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Begasung einer Aquakulturanlage, die zur Aufzucht und/oder Haltung von Nutztieren, insbesondere Fischen und/oder Krustentieren, eingerichtet ist, mit einem sauerstoffhaltigen ersten Gasstrom, eine Elektrolyse, unter Verwendung von elektrischer Energie, eines zumindest eine sauerstoffhaltige Verbindung enthaltenden Einsatzstroms unter Erhalt von zumindest einem ersten elementaren Sauerstoff enthaltenden Produktstrom sowie zumindest einem weiteren Produktstrom, eine Verwendung des zumindest einen weiteren Produktstroms in einem wertschöpfenden Prozessschritt stromab der Elektrolyse und eine Verwendung des zumindest einen ersten Produktstroms zur Bereitstellung des ersten Gasstroms. Durch die Verwendung einer Elektrolyse zur Herstellung des Sauerstoffs, der für die Begasung der Aquakulturanlage benötigt wird, kann auf kompakte und wartungsarme Lösungen (beispielsweise im Vergleich zu klassischen Luftzerlegungsanlagen, die herkömmlicherweise zur Produktion von Sauerstoff verwendet werden) zurückgegriffen werden.In detail, a method according to the invention for gassing an aquaculture plant, which is set up for breeding and/or keeping livestock, in particular fish and/or crustaceans, with an oxygen-containing first gas stream, comprises an electrolysis, using electrical energy, of a feed stream containing at least one oxygen-containing compound to obtain at least a first product stream containing elemental oxygen and at least one further product stream, a use of the at least one further product stream in a value-adding process step downstream of the electrolysis and a use of the at least one first product stream to provide the first gas stream. By using electrolysis to produce the oxygen required for gassing the aquaculture plant, compact and low-maintenance solutions can be used (for example in comparison to classic air separation plants, which are conventionally used to produce oxygen).

Die zumindest eine sauerstoffhaltige Verbindung umfasst insbesondere eine oder mehrere aus der Gruppe aus Kohlenstoffdioxid und Wasser. Dies sind besonders relevante Sauerstoffquellen, die typischerweise weltweit verfügbar sind.The at least one oxygen-containing compound comprises in particular one or more from the group of carbon dioxide and water. These are particularly relevant oxygen sources that are typically available worldwide.

Insbesondere kann, beispielsweise im Falle einer (Co-)Elektrolyse von Kohlenstoffdioxid, die sauerstoffhaltige Verbindung zumindest teilweise aus der Aquakulturanlage entnommen werden. Dadurch kann der Stoffkreislauf im Wesentlichen geschlossen werden. Zudem ergibt sich der Vorteil, dass bei der Aquakultur anfallende Kohlenstoffdioxidemissionen ggf. vermieden oder zumindest verringert werden können. Auch Wasser als sauerstoffhaltige Verbindung kann der Aquakulturanlage entnommen werden und (ggf. nach einer entsprechenden Reinigung) für die Elektrolyse verwendet werden. Typischerweise wird das Wasser einer Aquakulturanlage ohnehin umgewälzt und gereinigt, so dass beispielsweise ein Teil des Umwälzstroms als die zumindest eine sauerstoffhaltige Verbindung verwendet werden kann.In particular, for example in the case of (co-)electrolysis of carbon dioxide, the oxygen-containing compound can be at least partially removed from the aquaculture plant. This essentially closes the material cycle. Another advantage is that carbon dioxide emissions arising from aquaculture can be avoided or at least reduced. Water as an oxygen-containing compound can also be removed from the aquaculture plant and used for electrolysis (if necessary after appropriate purification). The water in an aquaculture plant is typically circulated and purified anyway, so that, for example, part of the circulating stream can be used as the at least one oxygen-containing compound.

Der weitere Produktstrom kann insbesondere eine oder mehrere Verbindungen aus der Gruppe aus Wasserstoff, Methan, Methanol, Kohlenstoffmonoxid, Chlor, Brom und Chlorwasserstoff enthalten. Dies sind besonders relevante Verbindungen, die in einer Vielzahl von industriellen Prozessen Anwendung finden.The further product stream can in particular contain one or more compounds from the group consisting of hydrogen, methane, methanol, carbon monoxide, chlorine, bromine and hydrogen chloride. These are particularly relevant compounds that are used in a variety of industrial processes.

Insbesondere kann als die Elektrolyse eine alkalische Elektrolyse und/oder eine PEM-Elektrolyse und/oder eine AEM-Elektrolyse und/oder eine SOEC-Elektrolyse durchgeführt werden. So kann je nach konkretem Anwendungsfall die am besten passende Technologie verwendet werden.In particular, the electrolysis can be carried out using alkaline electrolysis and/or PEM electrolysis and/or AEM electrolysis and/or SOEC electrolysis. This means that the most suitable technology can be used depending on the specific application.

Die elektrische Energie wird bevorzugt einer Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie auf Basis erneuerbarer Primärenergieträger, insbesondere auf Basis von einer oder mehreren aus der Gruppe aus Windkraft, Wasserkraft, Wellenkraft, Gezeitenkraft und Solarenergie (z.B. Photovoltaik, Solarthermie), entnommen, wobei die elektrische Energie über eine Distanz von weniger als 50 km, 30 km, 10 km oder weniger als 5 km bis zu ihrer Verwendung in der Elektrolyse transportiert wird. Erneuerbare Energiequellen werden in Zukunft in ihrer Relevanz massiv zunehmen und durch die örtliche Nähe können Leitungsverluste minimiert und Infrastruktur eingespart werden.The electrical energy is preferably taken from a plant for generating electrical energy based on renewable primary energy sources, in particular based on one or more from the group of wind power, hydropower, wave power, tidal power and solar energy (e.g. photovoltaics, solar thermal energy), with the electrical energy being transported over a distance of less than 50 km, 30 km, 10 km or less than 5 km until it is used in electrolysis. Renewable energy sources will increase massively in their relevance in the future and the local proximity can minimize line losses and save on infrastructure.

In zumindest einer Ausgestaltung der Erfindung wird die Elektrolyse weniger als 50 km, 30 km, 10 km oder weniger als 5 km von der Aquakulturanlage entfernt durchgeführt. So kann die erforderliche Infrastruktur auf ein Minimum beschränkt werden, was sich im Hinblick auf Investitions- und Unterhaltskosten positiv auswirkt.In at least one embodiment of the invention, the electrolysis is carried out less than 50 km, 30 km, 10 km or less than 5 km from the aquaculture facility. This means that the required infrastructure can be kept to a minimum, which has a positive effect on investment and maintenance costs.

Eine erfindungsgemäße Anlage, ist zur Durchführung zumindest einer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet und profitiert daher von dessen Vorteilen sinngemäß entsprechend.A system according to the invention is designed to carry out at least one embodiment of a method according to the invention and therefore benefits from its advantages accordingly.

Im Folgenden werden weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung unter Verweis auf die beiliegende Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.In the following, further aspects and advantages of the invention are explained in more detail using an exemplary embodiment with reference to the accompanying drawing.

Dabei zeigt 1 eine Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Anlage in Form eines vereinfachten Blockdiagramms.This shows 1 an embodiment of a system according to the invention in the form of a simplified block diagram.

Ausgestaltung(en) der Erfindungembodiment(s) of the invention

In 1 ist eine Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Anlage schematisch in Form eines Blockdiagramms dargestellt und insgesamt mit 100 bezeichnet.In 1 an embodiment of a system according to the invention is shown schematically in the form of a block diagram and is designated overall by 100.

In diesem Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, einen Teil oder den gesamten durch eine Elektrolyseeinheit 130 produzierten Sauerstoff zur Versorgung einer Aquakultur 150 über eine O2-Anreicherungseinheit 140 zu verwenden. Von der Elektrolyseeinheit 130 erzeugter Wasserstoff wird gereinigt (Wasserstoffaufbereitung 160) und an einen nachgeschalteten Verbraucher 170, eine Pipeline oder einen Tank weitergeleitet. Vorzugsweise wird zumindest ein Teil des von der Elektrolyseeinheit 130 verbrauchten Stroms (hier auch als elektrische Energie bezeichnet) von einer lokalen Stromerzeugungseinheit 110, wie z. B. Windturbine oder Wasserkraftwerk, geliefert. Vorzugsweise erzeugt die Stromerzeugungseinheit 110 erneuerbaren Strom. Optional kann eine Batterie oder eine andere Energiespeichervorrichtung 115 in die Anlage 100 integriert werden, um einige oder alle Stromverbraucher (120, 130, 140, 150) in Zeiten geringer oder fehlender Stromerzeugung durch die Stromerzeugungseinheit 110 mit Strom zu versorgen. Das Elektrolyse-Speisewasser wird von einer Wasseraufbereitungseinheit 120 erzeugt, die von der Stromerzeugungseinheit 110 und/oder der Batterie 115 mit Strom versorgt wird. Zusätzlich können die O2-Anreicherungseinheit 140 und/oder andere Hilfsaggregate der Aquakultur 150 Strom aus den genannten Quellen 110, 115 nutzen. Optional kann ein Wasserstrom aus der Wasseraufbereitungseinheit 120 einen Teil oder das gesamte Wasser für die Aquakultur 150 darstellen. Wenn eine höhere Salzkonzentration als die der Wasserquelle 190 für die Fische vorteilhaft ist, kann die Wasseraufbereitungseinheit 120 dem Fischbecken (bzw. der Aquakultur 150) einen Wasserstrom zuführen, der eine höhere Salzkonzentration als die der Wasserquelle 190 aufweist. Umgekehrt kann die Wasseraufbereitungseinheit 120 der Aquakultur 150 einen Wasserstrom zuführen, der eine niedrigere Salzkonzentration als das Speisewasser aufweist, wenn eine niedrigere Salzkonzentration als die der Quelle 190 für die Fische von Vorteil ist.In this embodiment, it is proposed to use part or all of the oxygen produced by an electrolysis unit 130 to supply an aquaculture 150 via an O2 enrichment unit 140. Hydrogen produced by the electrolysis unit 130 is purified (hydrogen treatment 160) and passed on to a downstream consumer 170, a pipeline or a tank. Preferably, at least part of the power consumed by the electrolysis unit 130 (also referred to here as electrical energy) is supplied by a local power generation unit 110, such as a wind turbine or hydroelectric power plant. Preferably, the power generation unit 110 generates renewable electricity. Optionally, a battery or other energy storage device 115 can be integrated into the system 100 to supply some or all of the power consumers (120, 130, 140, 150) with electricity during times of low or no power generation by the power generation unit 110. The electrolysis feed water is generated by a water treatment unit 120 that is powered by the power generation unit 110 and/or the battery 115. Additionally, the O2 enrichment unit 140 and/or other auxiliary equipment of the aquaculture 150 may utilize power from the aforementioned sources 110, 115. Optionally, a water stream from the water treatment unit 120 may provide some or all of the water for the aquaculture 150. If a higher salt concentration than that of the water source 190 is beneficial to the fish, the water treatment unit 120 may supply the fish tank (or aquaculture 150) with a water stream that has a higher salt concentration than that of the water source 190. Conversely, the water treatment unit 120 may supply the aquaculture 150 with a water stream having a lower salt concentration than the feed water if a lower salt concentration than that of the source 190 is beneficial to the fish.

Der Sauerstoff aus der Elektrolyse 130 kann optional behandelt werden, bevor er zur O2-Anreicherungseinheit 140 geleitet wird, die die Aquakultur 150 versorgt. Eine solche Behandlung kann die Entfernung von überschüssigem Wasser, beispielsweise durch Kondensation, umfassen, ist aber nicht darauf beschränkt. Der in der O2-Anreicherungseinheit 140 nicht benötigte Sauerstoff kann abgeleitet oder für andere Zwecke verwendet werden (Block 180).The oxygen from the electrolysis 130 may optionally be treated before being sent to the O2 enrichment unit 140 that supplies the aquaculture 150. Such treatment may include, but is not limited to, the removal of excess water, for example by condensation. The oxygen not required in the O2 enrichment unit 140 may be diverted or used for other purposes (block 180).

Die erwähnte Elektrolyseeinheit 130 kann vom Niedertemperaturtyp sein. Die Anlage ist in der hier gezeigten Ausgestaltung nicht für eine Kombination mit einer Hochtemperatur-Elektrolyse vorgesehen. Eine solche Hochtemperaturelektrolyse kann jedoch ggf. in anderen Ausgestaltungen der Erfindung, beispielsweise bei der CO2-Elektrolyse, Verwendung finden. Vorzugsweise ist die Elektrolyseeinheit 130 vom Typ Membranelektrolyse (AEM oder bevorzugt PEM). Dieser Typ ist vergleichsweise kompakt und leicht, erlaubt eine größere Freiheit beim Anodendruck, benötigt weniger Hilfsmaterial und ist weniger wartungsintensiv. Die Elektrolyseeinheit 130 kann aus einem oder mehreren Elektrolysestapeln (auch als Stacks bezeichnet) bestehen, die jeweils aus mehreren Elektrolysezellen zusammengesetzt sind. Die Stacks können in Untereinheiten angeordnet werden, die zusammen eine Elektrolyseeinheit 130 bilden. Zusätzlich zu den elektrochemischen Zellen können die Elektrolyseeinheiten 130 typische, an sich bekannte Anlagenteile enthalten. Die Verwendung der Erfindung mit einer AEL ist ebenfalls möglich. In einer Ausführungsform der Erfindung können eine oder mehrere Elektrolyseeinheiten 130 in der Nähe einer oder mehrerer Windkraftanlagen (Energieerzeuger 110) aufgestellt werden. Die Windturbinen 110 und Elektrolyseeinheiten 130 können offshore aufgestellt werden, oder die Windturbinen 110 können offshore und die Elektrolyseeinheiten 130 an Land aufgestellt und elektrisch verbunden werden, oder das gesamte System 100 kann an Land aufgestellt werden. Wenn die Elektrolyseeinheiten 130 offshore aufgestellt werden, können beispielsweise Wasserstoff- und Sauerstoffpipelines verwendet werden, um die jeweiligen Gase zu ihren Endverbrauchern (150, 170) an einem zentralen Knotenpunkt zu transportieren, wobei zumindest ein Teil des Sauerstoffs von einer oder mehreren Aquakulturen 150 verbraucht wird. Diese Aquakulturen 150 können zusätzlich einen oder mehrere Flüssigsauerstofftanks umfassen, um in Zeiten geringer Windenergieerzeugung eine ausreichende Sauerstoffversorgung sicherzustellen. In einem Beispiel ist eine Aquakultur 150, die 6000 Tonnen Sauerstoff pro Jahr verbraucht, an eine Elektrolyseeinheit 130 angeschlossen, die von zwei 15-MW-Windturbinen 110 angetrieben wird. Die Elektrolyseanlage 130 ist so dimensioniert, dass sie bei Volllast einen Sauerstoffstrom liefert, der mindestens so groß ist wie der von der Aquakultur 150 verbrauchte Sauerstoff. In einem solchen Beispiel kann ein Tank mit einem Fassungsvermögen von 40000 Nm³ Sauerstoff (Flüssigsauerstoff) vorgesehen sein, um die bereits genannten Sauerstoff-Angebotsschwankungen wenigstens teilweise auszugleichen. Aus der Elektrolyse 130 würden in diesem Beispiel ca. 4220 Tonnen Sauerstoff bereitgestellt, so dass ein zusätzlicher Sauerstoffbedarf von 1780 Tonnen durch Lieferungen von außerhalb der Elektrolyse 130 erforderlich wäre. Dies entspricht einer Anzahl von 47 Tankfüllungen, die einer Anzahl von 158 Tankfüllungen bei herkömmlicher Bewirtschaftung gegenüberstehen. Somit wäre der logistische Aufwand massiv reduziert, ohne überschüssigen Sauerstoff zu produzieren. Alternativ könnte die Elektrolyseeinheit 130 für einen Betrieb mit 3 Windturbinen ausgelegt werden, wobei eine leichte Überproduktion an Sauerstoff bestehen würde. Dieser Sauerstoffüberschuss kann exportiert, eingelagert oder in die Atmosphäre abgegeben werden (Block 180).The electrolysis unit 130 mentioned can be of the low-temperature type. In the embodiment shown here, the system is not intended for combination with a high-temperature electrolysis. However, such a high-temperature electrolysis can possibly be used in other embodiments of the invention, for example in CO2 electrolysis. The electrolysis unit 130 is preferably of the membrane electrolysis type (AEM or preferably PEM). This type is comparatively compact and light, allows greater freedom in anode pressure, requires less auxiliary material and is less maintenance-intensive. The electrolysis unit 130 can consist of one or more electrolysis stacks (also referred to as stacks), each of which is composed of several electrolysis cells. The stacks can be arranged in subunits that together form an electrolysis unit 130. In addition to the electrochemical cells, the electrolysis units 130 can contain typical, known system parts. The use of the invention with an AEL is also possible. In an embodiment of the invention, one or more electrolysis units 130 may be located near one or more wind turbines (energy generators 110). The wind turbines 110 and electrolysis units 130 may be located offshore, or the wind turbines 110 may be located offshore and the electrolysis units 130 onshore and electrically connected, or the entire system 100 may be located onshore. If the electrolysis units 130 are located offshore, hydrogen and oxygen pipelines, for example, may be used to transport the respective gases to their end users (150, 170) at a central hub, with at least part of the oxygen being consumed by one or more aquacultures 150. These aquacultures 150 may additionally comprise one or more liquid oxygen tanks to ensure a sufficient oxygen supply during times of low wind energy production. In one example, an aquaculture 150 consuming 6000 tonnes of oxygen per year is connected to an electrolysis unit 130 powered by two 15 MW wind turbines 110. The electrolysis plant 130 is dimensioned such that at full load it delivers an oxygen flow that is at least as large as the oxygen consumed by the aquaculture 150. In such an example, a tank with a capacity of 40000 Nm ³ of oxygen (liquid oxygen) can be provided in order to at least partially compensate for the aforementioned oxygen supply fluctuations. From the electrolysis 130 In this example, approximately 4220 tons of oxygen would be provided, meaning that an additional oxygen requirement of 1780 tons would be required from supplies outside the electrolysis unit 130. This corresponds to 47 tank fillings, compared to 158 tank fillings under conventional management. This would massively reduce the logistical effort without producing excess oxygen. Alternatively, the electrolysis unit 130 could be designed to operate with 3 wind turbines, which would result in a slight overproduction of oxygen. This excess oxygen can be exported, stored or released into the atmosphere (block 180).

In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann die Elektrolyseeinheit 130 aus einem Wasserkraftwerk 110 mit elektrischer Energie gespeist werden. In einer solchen Ausgestaltung kann aufgrund der hohen erzielbaren Lastfaktoren der Bedarf an importiertem Sauerstoff sowie einer Speicherung von Sauerstoff und/oder elektrischer Energie (Batterie 115) minimiert oder ggf. gänzlich vermieden werden.In an alternative embodiment of the invention, the electrolysis unit 130 can be supplied with electrical energy from a hydroelectric power plant 110. In such an embodiment, due to the high achievable load factors, the need for imported oxygen and storage of oxygen and/or electrical energy (battery 115) can be minimized or possibly completely avoided.

Unabhängig von der konkreten Ausgestaltung der Stromerzeugungseinheit 110 und auch der Elektrolyseeinheit 130 kann die Anodenseite der Elektrolyse 130 auf einem Druckniveau betrieben werden, das hoch genug ist, um die Sauerstoff-Anreicherungseinheit 140 zu betreiben und ggf. einen Leitungsdruckverlust zu kompensieren. Dadurch kann auf zusätzliche Anlagenkomponenten stromab der Elektrolyse 130, wie beispielsweise Gebläse oder Verdichter, verzichtet werden.Regardless of the specific design of the power generation unit 110 and also of the electrolysis unit 130, the anode side of the electrolysis 130 can be operated at a pressure level that is high enough to operate the oxygen enrichment unit 140 and, if necessary, to compensate for a line pressure loss. This means that additional system components downstream of the electrolysis 130, such as fans or compressors, can be dispensed with.

Unabhängig von anderen Komponenten der Anlage 100 kann ein Sauerstoff-Pufferspeicher vorgesehen sein, der, wie bereits in der oben erläuterten Ausgestaltung gezeigt, Schwankungen in der Elektrolyseleistung und damit im Sauerstoff-Angebot ausgleichen kann. In einem solchen Pufferspeicher können ein oder mehrere Tanks sowie optional ein oder mehrere Verdichter vorgesehen sein. Ggf. können die Tanks auch auf dem Druckniveau des Elektrolyseausgangs betrieben werden, so dass dann keine Verdichter erforderlich sind.Independently of other components of the system 100, an oxygen buffer storage can be provided which, as already shown in the design explained above, can compensate for fluctuations in the electrolysis performance and thus in the oxygen supply. One or more tanks and optionally one or more compressors can be provided in such a buffer storage. If necessary, the tanks can also be operated at the pressure level of the electrolysis output, so that no compressors are then required.

Die Sauerstoff-Anreicherungseinheit 140 kann, sofern sie überhaupt vorgesehen ist, insbesondere einen Wasser(dampf)gehalt des Rohsauerstoffs (Anodengases) senken. Dazu kann insbesondere eine Kondensation und/oder Adsorption eingesetzt werden. Sofern ein Sauerstoffspeicher vorgesehen ist, kann zumindest der Anteil des Sauerstoffs, der in den Speicher geleitet wird, stromauf des Speichers einer Trocknung unterworfen werden, um die Bildung einer Fest- und/oder Flüssigphase in dem Speicher zu verhindern. Dabei kann insbesondere eine tiefste erwartete Temperatur und/oder ein höchster erwarteter Druck während des Betriebs des Speichers zugrunde gelegt werden, um den notwendigen zu erreichenden Partialdruck in Bezug auf den Wassergehalt zu ermitteln.The oxygen enrichment unit 140, if it is provided at all, can in particular reduce a water (vapor) content of the raw oxygen (anode gas). In particular, condensation and/or adsorption can be used for this purpose. If an oxygen storage unit is provided, at least the portion of the oxygen that is fed into the storage unit can be subjected to drying upstream of the storage unit in order to prevent the formation of a solid and/or liquid phase in the storage unit. In particular, a lowest expected temperature and/or a highest expected pressure during operation of the storage unit can be used as a basis in order to determine the necessary partial pressure to be achieved in relation to the water content.

Wie bereits in Bezug auf zumindest eine Ausgestaltung erläutert, kann eine Option für Sauerstoffimport von außerhalb der Elektrolyse 130 vorgesehen sein. Beispielsweise kann dazu ein Terminal zum Import von Flüssigsauerstoff in der Anlage 100 vorgesehen sein. Dies ist in der Figur nicht gesondert dargestellt.As already explained with respect to at least one embodiment, an option for importing oxygen from outside the electrolysis 130 can be provided. For example, a terminal for importing liquid oxygen can be provided in the system 100. This is not shown separately in the figure.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 2198704A1 [0002]

Claims

Method for gassing an aquaculture plant (150) which is set up for breeding and/or keeping livestock, in particular fish and/or crustaceans, with an oxygen-containing first gas stream, comprising an electrolysis (130) using electrical energy, a feed stream containing at least one oxygen-containing compound to obtain at least a first product stream containing elemental oxygen and at least one further product stream, a use of the at least one further product stream in a value-added process step (160, 170) downstream of the electrolysis (130) and a use of the at least one first product stream to provide (140) the first gas stream.

procedure according to claim 1 , wherein the at least one oxygen-containing compound comprises one or more from the group consisting of carbon dioxide and water (190).

procedure according to claim 1 or 2 , wherein the oxygen-containing compound is at least partially removed from the aquaculture plant (150).

Process according to one of the preceding claims, wherein the further product stream contains one or more compounds from the group consisting of hydrogen, methane, methanol, carbon monoxide, chlorine, bromine and hydrogen chloride.

Method according to one of the preceding claims, wherein an alkaline electrolysis and/or a PEM electrolysis and/or an AEM electrolysis and/or a SOEC electrolysis is carried out as the electrolysis (130).

Method according to one of the preceding claims, wherein the electrical energy is taken from a plant (110) for generating electrical energy based on renewable primary energy sources, in particular based on one or more from the group consisting of wind power, hydropower, wave power, tidal power and solar energy, wherein the electrical energy is transported over a distance of less than 50 km, 30 km, 10 km or less than 5 km until it is used in the electrolysis (130).

A method according to any one of the preceding claims, wherein the electrolysis (130) is carried out less than 50 km, 30 km, 10 km or less than 5 km from the aquaculture facility (150).

Installation (100) which is arranged to carry out a method according to one of the preceding claims.