DE102007019027A1 - Regenerative generation method for hydrogen and oxygen, ammonia and methanol from wind energy into electrical energy, involves transforming energy and subsequent electrolysis of water with obtained electrical energy - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Umwandeln von Windenergie über dem dem offenen Wasser, insbesondere Ozean, in elektrische Energie und auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäss den einleitenden Teilen der unabhängigen Patentansprüche.The The present invention relates to a method of conversion from wind energy over the open water, especially ocean, into electrical energy and to an apparatus for carrying out the method according to the introductory paragraph Sharing the independent Claims.
Die derzeitige Erzeugung von Strom in Kohle-, Öl- bzw. Gaskraftwerken ist mit einem grossen CO2-Ausstoss verbunden. Industrieanlagen, der Verkehr, soweit von Verbrennungskraftmaschinen angetrieben, sowie die Gebäudeheizung sowie -klimatisierung mittels fossiler Brennstoffe verursachen ebenfalls eine hohe CO2-Belastung. Die Erhöhung des CO2-Anteils in der Atmosphäre ist mittlerweile als bedeutender Faktor für die Klimaerwärmung anerkannt. Das nachfolgend beschriebene erfindungsgemässe Verfahren soll mittels Nutzung von Meereswindenergie (als Basisenergie) in grossem Massstab zu einer erheblichen Reduzierung der CO2-Emissionen beitragen und bietet darüber hinaus die Möglichkeit zu einem Einstieg in die Erzeugung/Nutzung von regenerativ erzeugtem Wasserstoff respektive den Einstieg in einen CO2 Kreislaufprozess.The current generation of electricity in coal, oil or gas power plants associated with a large CO2 emission. Industrial plants, the Traffic, as far as driven by internal combustion engines, as well as the building heating and air conditioning using fossil fuels also cause a high CO2 load. The increase the share of CO2 in the atmosphere is now recognized as a major factor in global warming. The The inventive method described below is intended by means of Use of marine wind energy (as basic energy) on a large scale contribute to a significant reduction in CO2 emissions and offers about it out of the way to an entry into the production / use of regeneratively produced Hydrogen respectively the entry into a CO2 cycle process.
Zu den Voraussetzungen des Verfahrens:The conditions of the procedure:
Auf vielen Bereichen der Weltozeane bzw. -meere/Binnenmeere oder – seen herrschen starke bis sehr starke Winde. Diese Winde stellen ein gigantisches, unerschöpfliches Windenergiepotential dar. Sie sind in ihrer Richtung und Stärke oftmals über längere Zeiträume weitgehend konstant vorhanden. (z. B. die Passatwinde, die Westwinddrift, etc.) Dem vorgeschlagenen Verfahren liegt somit die Aufgabe zugrunde, diese Windenergie zu nutzen und in elektrische Energie umzuwandeln und diese mittels Elektrolyse in chemischer Form (Wasserstoff) und/oder nach entsprechender Synthese als Methanol oder Ammoniak zu speichern. Das erfindungsgemäss vorgeschlagene Verfahren sieht zur Lösung dieser Aufgabe eine Nutzung dieser Windenergie zum Antrieb von schwimmenden Wasserkraftturbinen vor. Diese Strömungsturbinen trei ben vorzugsweise über je ein mechanisches Getriebe elektrische Generatoren an. Die erzeugte elektrische Energie wird für den Betrieb von Elektrolyseanlagen zur Wasserstoffgewinnung verwendet. Dieser regenerativ erzeugte Wasserstoff kann dann noch optional für eine Methanol- bzw. Ammoniaksyntheseanlage verwendet werden.On many areas of the world oceans or seas / inland seas or lakes strong to very strong winds. These winds represent a gigantic, inexhaustible Wind energy potential. They are in their direction and strength often over long periods largely constantly available. (eg the trade winds, the west wind drift, etc.) The proposed method is therefore based on the object to use this wind energy and convert it into electrical energy and this by electrolysis in chemical form (hydrogen) and / or after corresponding synthesis as methanol or ammonia store. The invention proposed method provides a solution to this problem this wind energy to drive floating hydropower turbines in front. These flow turbines preferably over depending on a mechanical transmission electric generators. The generated electrical energy is used for used the operation of electrolysis plants for hydrogen production. This regenerative hydrogen can then be optional for one Methanol or ammonia synthesis plant can be used.
Der vorgeschlagenen Einrichtung liegt dann noch die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, mit der das Verfahren bestmöglich auszuführen ist. Unter Ausnutzung der Winde wird an einem speziell konstruierten Schwimmkörper (vereinfacht nachfolgend Energieschiff genannt) durch Segel/Schleppsegel und/oder Drachenhöhensegel (z. B. SkySails Technologie) ein Vortrieb und somit eine Relativgeschwindigkeit gegenüber dem umgebenden Wasser erzeugt. Diese Relativgeschwindigkeit zwischen dem Schwimmkörper und dem umgebenden Salzoder Süsswasser wird dann zum Betrieb von Wasserströmungsturbinen benutzt, welche unter dem Wasserspiegel an dem Schwimmkörper befestigt sind. Diese Wasserströmungsturbinen dienen als Antrieb für die erwähnten elektrischen Generatoren. Der hiermit erzeugte Strom wird zur Versorgung von Elektrolyseanlagen für die Produktion von Wasserstoff und Sauerstoff mit elektrischer Energie verwendet sowie zur Deckung des Eigenbedarf des Schiffes (je nach Energieschiffvariante Wasserstoffverdichtung/-verflüssigung bzw. Methanolerzeugung oder Ammoniaksynthese sowie diverse Hilfsbetriebe sowie optional zur Sauerstoffverdichtung/-verflüssigung).Of the proposed facility is then still the task, to specify a device with which the method is to be carried out in the best possible way. Taking advantage of the winch is attached to a specially designed float (hereinafter referred to as energy ship) by sail / tow and / or dragon's height sail (eg SkySails technology) propulsion and thus a relative speed across from generated by the surrounding water. This relative speed between the float and the surrounding salt or fresh water is then used to operate water flow turbines, which are attached to the float under the water level. These Water current turbines serve as a drive for the mentioned electric generators. The electricity generated here becomes a supply of electrolysis plants for the production of hydrogen and oxygen with electrical energy used to cover the vessel's own needs (depending on Energy ship variant Hydrogen compression / liquefaction or methanol production or ammonia synthesis and various auxiliary operations and optionally for oxygen compression / liquefaction).
In Abhängigkeit von der Ladekapazität des Energieschiffes wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung anhand der abhängigen Patentansprüche der erzeugte Wasserstoff respektive das daraus gewonnene Methanol (oder der Ammoniak) sowie optional der erzeugte Sauerstoff entweder auf entsprechend gross dimensionierte Mutterschiffe zur Zwischenspeicherung respektive Weiterverarbeitung zu Methanol oder Ammoniak umgeladen, oder diese Energieträger werden von dem Energieschiff direkt in speziell eingerichtete Umschlaghäfen entladen sowie die erforderlichen Ausgangsstoffe (Elektrolyseflüssigkeit, CO2) beladen. In diesem Falle würde das Zwischenbe- und -entladen über die Mutterschiffe entfallen.In dependence from the loading capacity the energy ship is in a further embodiment of the invention based on the dependent Claims of generated hydrogen or the methanol obtained therefrom (or the ammonia) and optionally the oxygen produced either on correspondingly sized mother ships for temporary storage respectively reprocessed to methanol or ammonia, or these fuels are unloaded from the energy ship directly into specially set transhipment ports and the required starting materials (electrolysis fluid, CO2). In that case, would the intermediate loading and unloading over the mother ships are eliminated.
Für diese Speicherung des Sauerstoffes (optional) sowie Speicherung des Wasserstoffes oder die Weiterverarbeitung desselben zu Methanol oder Ammoniak ergeben sich grundsätzlich folgende mögliche Auslegungsvarianten des Energieschiffes (der Einfachheit halber wird nachfolgend nur das Be- und Entladen der Energieträger sowie deren Ausgangsstoffe des bzw. von dem Mutterschiff beschrieben (die beschriebenen Verfahren sind grundsätzlich ebenso möglich bei Be- und Entladen der Energieträger sowie deren Ausgangsstoffe direkt von den Energieschiffen in den Umschlaghäfen, d. h. ohne Zwischenspeicherung/Weiterverarbeitung auf den Mutterschiffen).For this Storage of oxygen (optional) and storage of hydrogen or the further processing of the same to methanol or ammonia arise basically following possible Design variants of the energy ship (for the sake of simplicity Below is only the loading and unloading of energy sources and their starting materials from or described by the mothership (the described methods are also possible in principle Loading and unloading the energy sources and their starting materials directly from the energy vessels in the Transshipment ports, d. H. without caching / further processing on the mother ships).
Hierzu eignen sich besonders folgende drei Varianten:The following are particularly suitable for this purpose three variants:
Variante 1version 1
Der
mittels Elektrolyse gewonnene Wasserstoff und Sauerstoff wird auf
dem Energieschiff in tiefgekühlter
flüssiger
Form gespeichert (Sauerstoff optional) und danach zu einem Mutterschiff
gebracht. Dort werden der tiefgekühlte flüssige Wasserstoff und Sauerstoff
auf das Mutterschiff umgeladen. Im Gegenzug wird elektrolysefähiges Wasser
vom Mutterschiff auf das Energieschiff beladen. Sobald die Ladekapazität des Mutterschiffes
erreicht ist, steuert dieses den nächsten Umschlaghafen an zum
Entladen des tiefgekühlten
flüssigen
Wasserstoffes und Sauerstoffes (optional) sowie zum Beladen des
elektrolysefähigen
Wassers (siehe auch
Variante 2Variant 2
Die mittels Elektrolyse gewonnenen Wasserstoff- und Sauerstoffgase werden auf dem Energieschiff in getrennten Behältern unter hohem Druck zwischengespeichert (Sauerstoff optional) und danach zu einem Mutterschiff gebracht. Dort werden die Wasserstoff- und Sauerstoffgase auf das Mutterschiff umgeladen (Sauerstoff optional). Im Gegenzug wird elektrolysefähiges Wasser vom Mutterschiff auf das Energieschiff beladen. Auf dem Mutterschiff kann dann (optional) mit dem Wasserstoff und CO2 eine Me-thanolsynthese durchgeführt werden (alternativ ist mit Wasserstoff und an modularen Luftzerlegungsanlagen gewonnenem N2 auch eine Ammoniaksynthese möglich).The be obtained by electrolysis hydrogen and oxygen gases cached on the power ship in separate containers under high pressure (Oxygen optional) and then brought to a mothership. There, the hydrogen and oxygen gases are transferred to the mothership (Oxygen optional). In return, electrolyzed water Loaded by the mothership on the energy ship. On the mothership can then (optionally) with the hydrogen and CO2 a methanol synthesis carried out (alternatively, with hydrogen and on modular air separation plants obtained N2 also an ammonia synthesis possible).
Sobald
die Ladekapazität
des Mutterschiffes erreicht ist, steuert dieses (analog zu Variante
1) den nächsten
Umschlaghafen zum Entladen des Wasserstoffes oder (optional) des
Methanols(oder des Ammoniaks) sowie des tiefgekühlten flüssigen Sauerstoffes (optional),
sowie zum Beladen des elektrolysefähigen Wassers und des tiefgekühlten flüssigen CO2
(optional) an (siehe auch
Variante 3Variant 3
Bei
dieser Variante erfolgt die Methanolsynthese mittels des durch die
Elektrolyse gewonnenen Wasserstoffes und CO2 bereits auf dem Energieschiff.
Dadurch wäre
es grundsätzlich
möglich,
den Wirkungsgrad der Wasserstoff/Sauerstoff-Elektrolyse zu erhöhen, indem
die „Abwärme", welche bei der exothermen
Methanolsynthese entsteht, zur Wirkungsgradsteigerung dieser Elektrolyse
genutzt wird. Hierfür
wäre auf
dem Energieschiff neben einer Anlage für die Methanolsynthese noch
ein Tank zur Speicherung des tiefgekühlten flüssigen CO2 erforderlich. Der
bei der Elektrolyse gewonnene Sauerstoff (Koppelprodukt) würde auf
dem Energieschiff in tiefgekühlter
flüssiger
Form gespeichert (optional). Bei dieser Variante würden Methanol
und tiefgekühlter
flüssiger
Sauerstoff vom Energieschiff auf das Mutterschiff umgeladen und
im Gegenzug elektrolysefähiges
Wasser und tiefgekühltes
flüssiges
CO2 vom Mutterschiff auf das Energieschiff beladen (siehe auch
Sobald die Ladekapazität des Mutterschiffes erreicht ist, steuert dieses (Analog zu Variante 1) den nächsten Umschlaghafen zum Entla den des Methanols sowie des tiefgekühlten flüssigen Sauerstoffes (optional) sowie zum Beladen von elektrolysefähigen Wasser und tiefgekühlten flüssigen CO2 an.As soon as the loading capacity the mothership is reached controls this (analogous to variant 1) the next Port of transshipment for discharging the methanol as well as the frozen liquid oxygen (optional) as well as for loading electrolysable water and frozen liquid CO2 at.
Weitere
wesentliche Merkmale und Hauptkomponenten der Erfindung sowie des
Aufbaues der Hauptschwimmkörper
(Trimaran) des Energieschiffes für
die oben beschriebenen Varianten 1-3 sind den beiliegenden
Für gleiche oder einander entsprechende Elemente/Komponenten werden in allen Figuren dieselben Bezugszeichen verwendet.For same or corresponding elements / components will be in all Figures use the same reference numerals.
Es zeigen:It demonstrate:
Die
Umwandlung der Strömungsenergie
des Wassers in elektrische Energie erfolgt mittels sechs modularer
Freiströmturbinen
(
In
dem wasserdichten Gehäuse
(
Mittels
im Kragarm (
Mittels
isolierter Stromschienen wird der für die Elektrolyse erforderliche
Niederspannungswechselstrom von der Niederspannungsabzapfung des Transformators
an eine Gleichrichteranlage (
Der
erzeugte Wasserstoff wird dann in einem gepufferten kontinuierlichen
Prozess in einem geeigneten Tiefkühlaggregat (
Im
Bug (
Als
Alternative zu der oben beschriebenen Speicherung des Wasserstoffgases
unter hohen Druck in dem Hochdruckröhrenbündel (
Das
erzeugte Sauerstoffgas kann ebenso in einem vorzugsweise mehrstufigen
Hochdruckkompressor (
Das
in der Elektrolyse (
Das
erzeugte Methanol wird dann in einem dafür geeigneten Tank (
Von den Umschlagshäfen werden die jeweiligen Energieträger (Wasserstoff, Methanol oder Ammoniak) sowie der Sauerstoff (optional) von separaten Transportschiffen zu den Verbraucherzentren des Weltenergiemarktes gebracht. Alternativ und fallabhängig kann dieser Transport zu den Verbraucherzentren des Weltenergiemarktes auch direkt durch die Mutterschiffe, respektive der Energieschiffe, erfolgen. Dies könnte ggf. insbesondere in Anfangsphase oder Einführungsphase der Ozean-Windkraft-Nutzung erforderlich sein. Dort kann der Wasserstoff für CO2-freie Energieerzeugung verwendet werden; vorzugsweise zum Betrieb von Brennstoffzellen. Methanol kann problemlos sofort als CO2-reduzierter Brennstoff (wegen Doppelverwertung des CO2) für Verbrennungsmotoren im Verkehrsbereich (Beimischung zum Benzin/Ersatz von Benzin), Industrieanlagen und Heizungsanlagen sowie in naher Zukunft vorzugsweise ebenso zum Betrieb von Brennstoffzellen eingesetzt werden bzw. auch in Kraftwerken zur Stromgewinnung dienen. Auf dem Rückweg der Transport- oder Mutterschiffe wird das für die Methanolsynthese (Option) erforderliche flüssige CO2 (z. B. gewonnen aus den bereits existierenden CO2 Abscheidungsanlagen in Norwegen, sowie Emissionen von thermischen Kraftwerken (mit CO2-Sequestrierung)/Erdölbohrinseln/Industrieanlagen) und elektrolysefähiges Wasser mitgenommen. Bei der alternativ prinzipiell auch möglichen Ammoniaksynthese ist kein Transport von flüssigen CO2 erforderlich.From the transshipment ports become the respective energy sources (Hydrogen, methanol or ammonia) as well as the oxygen (optional) from separate transport vessels to the consumer centers of the world energy market brought. Alternative and case-dependent This transport can be to the consumer centers of the world energy market directly by the motherships, respectively the energy vessels, respectively. this could if necessary, especially in the initial phase or introduction phase of the ocean wind power utilization to be required. There, the hydrogen can be used for CO2-free power generation be used; preferably for the operation of fuel cells. Methanol can be used immediately as a CO2-reduced fuel (due to Dual utilization of CO2) for internal combustion engines in the traffic sector (admixture to gasoline / replacement of gasoline), industrial plants and heating systems, as well as in the near future preferably as well Operation of fuel cells are used or in power plants to generate electricity. On the way back of the transport or mother ships will that for the methanol synthesis (option) required liquid CO2 (eg obtained from already existing CO2 capture plants in Norway, as well as Emissions from thermal power plants (with CO2 sequestration) / oil rigs / industrial plants) and electrolyzable Water taken. In the alternative, in principle, also possible Ammonia synthesis requires no transport of liquid CO2.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren der Meereswindenergienutzung ist es vorteilhaft, wenn die Windströmungsrichtungen möglichst lange weitgehend konstant und die Windstärke stark genug für einen effizienten Betrieb der Energieschiffe/Wasserströmungsturbinen sind. Als Einsatzort könnten daher bevorzugt die Meere um die Antarktis genutzt werden. Dort herrschen das ganze Jahr über starke Winde in weitgehend gleichbleibender Richtung (Westwinddrift), so dass hier ein riesiger quasi geschlossener Windkreislauf vorliegt. In diesem Anwendungsfall würden mehrere Mutterschiffe vorzugsweise zwischen dem 40. und 60. südlichen Breitengrad rund um die Antarktis kreisen (mit gegenüber den Energieschiffen reduzierter Geschwindigkeit). Die Energieschiffe segeln dabei immer in eine Richtung von Mutterschiff zu Mutterschiff oder von einem Umschlagshafen zum anderen. Daneben besteht auch die Möglichkeit, dass mehrere Energieschiffe in einem Verband gemeinsam mit dem Mutterschiff einen Konvoi bilden (mit gleicher Geschwindigkeit von Mutterschiff und den Energieschiffen). Grundsätzlich sind auch andere beständige Starkwindbereiche in den Weltmeeren für die Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens möglich, z. B. Im Bereich der Passatwinde).at It is the proposed method of sea-going wind energy utilization advantageous when the wind flow directions preferably long largely constant and the wind strength strong enough for one efficient operation of the energy vessels / water flow turbines. As a location could Therefore, the oceans preferred to be used around the Antarctic. There reign throughout the year strong winds in largely constant direction (west wind drift), so that there is a huge quasi-closed wind cycle here. In this application case would several motherships preferably between the 40th and 60th southern Latitude around the Antarctic circle (with opposite the Energy ships reduced speed). The energy ships Always sailing in one direction from mothership to mothership or from one transshipment port to another. There is also one the possibility, that several energy ships in a bandage shared with the mothership form a convoy (with equal speed of mothership and the energy ships). Basically also other resistant ones Strong wind areas in the oceans for the application of the proposed Method possible z. B. In the area of trade winds).
Zu den einzelnen Komponenten:To the individual components:
1. Das Energieschiff:1. The energy ship:
Das
Energieschiff (
Die
mechanischen Verbindungen dieser Aussenschwimmkörper zu dem Trimaran sind dabei vorzugsweise
so auszulegen, dass diese zur mechanischen Entlastung der Energieschiffkonstruktion
in horizontaler Richtung am Trimaran nicht starr fixiert sind und
dass ferner ein Anlegen dieser seitlichen Aussenschwimmkörper ermöglicht wird,
z. B. für
Einfahrten in Hafeneinfahrten für
grössere
Wartungen/Reparaturen) Auf jeden dieser insgesamt 5 Schwimmkörper könnten dann
vollautomatische Segel und/oder vollautomatische Drachenhöhensegel, z.
B. nach SkySails Technologie installiert werden. Die modularen Strömungsturbinen
sind dann jeweils am Heck der Trimaran Schwimmkörper (Haupt- und starr befestigte seitliche Schwimmkörper) in
ausreichender Tiefe unterhalb der Wasseroberfläche befestigt (Siehe auch
Ferner sind geeignete Hebevorrichtungen vorzusehen, um die modularen Strömungsturbinen für Wartungs- oder Reparaturarbeiten in ausreichender Höhe über der Wasseroberfläche (A) temporär sicher zu fixieren.Further appropriate lifting devices shall be provided to enable the maintenance of modular flow turbines or repair work at a sufficient height above the water surface (A) temporary sure to fix.
Vollautomatisch zu betätigende grosse Segel, Schleppsegel oder Dra chenhöhensegel (z. B. SkySails Technologie) ziehen das Energieschiff durch das Meerwasser und treiben durch die daraus erzeugte Relativbewegung zwischen Energieschiff und dem umgebenden Meerwasser die als Strömungsturbinen konzipierten Wasserturbinen an. Die Turbinen wirken neben dem Strömungswiderstand des Schwimmkörpers als Gegenkraft zu dem Segelantrieb. Aufgrund physikalischer Gesetzmässigkeiten steigt dabei die Leistung der Turbinen überproportional mit der Geschwindigkeit des Energieschiffes.fully automatic to be operated big sails, trailing sails or dragon sails (eg SkySails technology) pull the energy ship through the sea water and drift through the resulting relative movement between energy ship and the surrounding sea water designed as flow turbines Hydro turbines on. The turbines act in addition to the flow resistance of the float as a counterforce to the sail drive. Due to physical laws The performance of the turbines increases disproportionately with the speed of the energy ship.
Ferner besitzt das Energieschiff alle erforderlichen Einrichtungen, welche für den sicheren Einsatz des Schiffes unter Hochseebedingungen erforderlich sind wie z. B. Ruderanlage, Rettungsbote, Treibstofftanks, Funkanlagen, Lenzpumpen etc. Daneben sind diese Energieschiffe, dem Stand der Technik entsprechend, mit GPS- Navigationstechnik ausgerüstet. Die Routenplanung erfolgt auf Basis von Satelliten-/Computergestützten Wettervorhersagen zwecks optimaler Ausnutzung von bestehenden Windverhältnissen zur vorgesehenen Energieerzeugung und zum Erreichen der bestmöglichen Leistung, des grösstmöglichen Nutzungsfaktors sowie der grösstmöglichen Sicherheit für den Einsatz der Energieschiffe.Further the power ship has all the necessary facilities, which for the safe use of the vessel under oceanic conditions required are like B. rudder system, lifeboat, fuel tanks, radio equipment, Bilge pumps, etc. In addition, these energy ships, the state of the art accordingly, equipped with GPS navigation technology. The route planning takes place based on satellite / computerized weather forecasts in order to optimum utilization of existing wind conditions for the intended generation of energy and to achieve the best possible Performance, the greatest possible Usage factor and the largest possible Security for the use of energy ships.
Der
prinzipielle Aufbau und die Anordnung der Hauptkomponenten des Energieschiffes
sind in den Grobprinzipskizzen nach
Diese Ausrichtung wird dadurch erleichtert, dass in der vorgesehenen „Betriebsposition" dieser Drachenhöhensegel von ca. 150 m bis 300 m über der Wasseroberfläche bei normalen „Arbeitswindbedingungen" eine weitgehend turbulenzfreie Luftströmung vorliegt.These Alignment is facilitated by the fact that in the intended "operating position" of this Drachenhöhensegel from about 150 m to 300 m above the water surface at normal "working wind conditions" a largely turbulence-free air flow is present.
Die
Kraftübertragung
von dem Zugseil des jeweiligen Drachenhöhensegels auf den zugehörigen Schwimmkörper des
Energieschiffes erfolgt an einem zentralen Befestigungspunkt im
bugseitigen Bereich des zu gehörigen
Schwimmkörpers.
Der Aufbau des Energieschiffes besteht aus dem zentralen Hautschwimmkörper (
Der
Einfachheit halber sind die Wasserströmungsturbinen in diesen Grobprinzipskizzen (
Auf dem zentralen Hauptschwimmkörper des Energieschiffes befinden sich die Mittelspannungs- und Niederspannungsschaltanlagen für die Hilfsbetriebe, der Mittel-/Niederspannungs-/Niederspannungstransformator, die Gleichrichteranlage sowie die Elektrolyseanlagen und die Behälter für das elektrolysefähige Wasser. Bei der Variante 2 sind noch Kompressoren für die Gasverdichtung sowie Druckbehälter zur Aufnahme der erzeugten Wasserstoff- und Sauerstoffgase (optional) vorgesehen. Alternativ ist auch die Speicherung des erzeugten Wasserstoffes auf dem Schwimmkörper in tiefgekühlter flüssiger Form (Variante 1) oder nach entsprechender Synthese in Form von flüssigem Methanol (Variante 3). Für die Methanolsynthese würde ein Speicher für flüssiges CO2 erforderlich sowie eine entsprechend ausgelegte Methanolsyntheseanlage. Alternativ ist auch eine Ammoniaksynthese möglich. Ferner kann auch der Sauerstoff (optional) grundsätzlich in flüssiger Form gespeichert werden (bei Variante 1 und 2).On the central main floating body of the Energieschiffes are the medium-voltage and low-voltage switchgear for the auxiliary companies, the medium / low voltage / low voltage transformer, the rectifier plant as well as the electrolysis plants and the containers for the electrolyzed water. In variant 2 are still compressors for gas compression and pressure vessels for Recording of the generated hydrogen and oxygen gases (optional) intended. Alternatively, the storage of the generated hydrogen on the float in frozen liquid form (Variant 1) or after appropriate synthesis in the form of liquid methanol (Variant 3). For the methanol synthesis would a memory for liquid CO2 required and a correspondingly designed methanol synthesis plant. Alternatively, an ammonia synthesis is possible. Furthermore, the Oxygen (optional) basically in liquid Form are saved (in variant 1 and 2).
Die Segel können auf den Schwimmkörpern montiert sein und/oder als Schleppsegel/Drachenhöhensegel mit einem oder mehreren Antriebsseil(en) zwischen Segeln und Schiff (Schwimmkörpern). Es sind vorzugsweise mehrere modulare Wasserströmungsturbinen an einem Energieschiff angebracht. Jede Turbine treibt dabei einen elektrischen Generator an. Der von den Generatoren erzeugte Strom wird für eine Wasser-Elektrolyse-Anlage zur Erzeugung von Wasserstoff- und Sauerstoffgas sowie für den sonstigen Eigenbedarf des Schiffes verwendet.The Sails can mounted on the floats and / or as a tow sail / kite altitude sail with one or more Drive rope (s) between sail and ship (floats). There are preferably several modular water flow turbines on an energy ship appropriate. Each turbine drives an electric generator at. The electricity generated by the generators is used for a water electrolysis plant for the production of hydrogen and oxygen gas and for the other Own needs of the ship used.
Zum Manövrieren des Schiffes ohne Segelantrieb ist ein Hilfsmotor vorzusehen.To the Maneuver the ship without sail drive is an auxiliary motor provided.
Alternativ hierzu können die Strömungsturbinen auch zum Antrieb von Kompressoren zur Speicherung der erzeugten Strömungsenergie in Form von Druckluft verwendet werden.alternative can do this the flow turbines also for driving compressors to store the generated flow energy be used in the form of compressed air.
Die erzeugte Druckluft würde dann auf die Mutterschiffe entladen, um dort Druckluftturbinen zu betreiben zum Antrieb von Generatoren zur Erzeugung von elektrischer Energie. Daneben würden in diesem Fall die Strömungsturbinen noch einen Hilfsgenerator zur Deckung des Eigenbedarfes des Energieschiffes an elektrischer Energie antreiben. Wegen des relativ schlechten Gesamtwirkungsgrades dieser Druckluftvariante wird diese voraussichtlich nur in speziellen Sonderfällen in Betracht kommen.The generated compressed air would then discharge to the motherships to operate there compressed air turbines for driving generators for generating electrical energy. Next to it would be in this case the flow turbines nor an auxiliary generator to cover the personal needs of the energy ship to power electricity. Because of the relatively bad Overall efficiency of this compressed air variant, this is expected only in special cases be considered.
2. Das Schleppschiff2. The towboat
Um mit den aktuell vorhandenen, respektive für die nahe Zukunft noch relativ leistungsschwach konzipierten automatischen Segelsystemen (z. B. SkySails Technologie – 5MW Nennleistung für 2008 projektiert), die für einen möglichst wirtschaftlichen Betrieb der Energieschiffe erforderliche maximale Vortriebskraft zu erreichen, respektive zu steigern, kann der Einsatz von zusätzlichen speziellen Schleppschiffen vorgesehen werden.Around with the currently available, respectively for the near future still relatively poorly designed automatic sailing systems (eg SkySails Technology - 5MW Rated power for Projected 2008), which for one possible economic operation of the energy vessels required maximum propulsive force To achieve, respectively to increase, the use of additional special tug boats are provided.
Diese Schleppschiffe haben prinzipiell denselben Aufbau wie die Energieschiffe mit vollautomatisch zu betätigenden Segeln, Schleppsegeln oder Drachenhöhensegeln (z. B. SkySails Technologie). Wie bei den Energieschiffen sind die Schwimmkörper der Schleppschiffe so auszulegen, dass diese möglichst wenig Strömungswiderstand in Vortriebsrichtung aufweisen.These Towing vessels basically have the same structure as the energy vessels with fully automatic operation Sailing, towing or kite sailing (eg SkySails technology). As in the case of energy ships, the floats of the tugboats are like that to interpret that as possible little flow resistance have in the direction of advance.
Die Schleppschiffe sind ferner von Größe und Gewicht so zu optimieren, dass sie genügend mechanische Festigkeit und Seetauglichkeit für den vorgesehenen Einsatz in Starkwindgebieten aufweisen, sowie genügend Masse besitzen, um gegenüber den, durch die verwendeten Segel, Schleppsegel oder Drachenhöhensegel (z. B. SkySails Technologie) auftretenden Kräften eine ausreichende Fahrsicherheit zu gewährleisten.The Tug boats are also to be optimized in size and weight so that they have enough mechanical Strength and seaworthiness for have the intended use in strong wind areas, as well as enough mass own to opposite the sail, tow or kite heights used (eg SkySails technology) occurring forces sufficient driving safety to ensure.
Es befinden sich auf diesen Schleppschiffen keine weiteren Anlagen zur Strömungsenergiekonversion wie bei den Energieschiffen. Der ausschliessliche Zweck dieser Schleppschiffe ist es, die zum Betrieb der Strömungsturbinen erforderliche Vortriebskraft und Geschwindigkeit des „angehängten" Energieschiffes zu erhöhen.It There are no other facilities on these towboats to the flow energy conversion like the energy ships. The exclusive purpose of these towboats it is the one to operate the turbines required driving force and speed of the "attached" energy ship to increase.
Die durch die Segelantriebe des jeweiligen Schleppschiffes resultierende horizontale Vortriebskraft wird vorzugsweise mittels eines oder mehrerer ausreichend dimensionierter Seile(s) an das „angehängte" Energieschiff übertragen.The resulting from the sail drives of the respective towboat horizontal propulsion force is preferably by means of one or several sufficiently dimensioned ropes (s) transferred to the "attached" energy ship.
Abhängig von
einem noch durchzuführenden Optimierungsprozess
können
dann ein oder mehrere Schleppschiffe zur Verstärkung der „Vortriebleistung" des jeweiligen Energieschiffes
eingesetzt werden. (Siehe auch Anlage
Beispielhaft
ist in der Grobprinzipskizze nach
Neben
dem Einsatz zur „Vortriebsverstärkung" von Energieschiffen
ergibt sich ein weiterer Verwendungszweck dieser „Schleppschiffe" (
Wie
auch in dem oben beschriebenen Verfahren für den Verbund (
3. Das Mutterschiff:3. The mothership:
In der einfachsten Form ist das Mutterschiff als schwimmender Zwischenspeicher/Umladestation für Wasserstoff und elektrolysefähiges Wasser sowie optional auch Sauerstoff konzipiert. Das Mutterschiff hat dabei grundsätzlich die mehrfache Ladekapazität der einzelnen Energieschiffe. Im Falle der Umwandlung von Wasserstoffgas und CO2 zu Methanol auf dem Mutterschiff, wird der erzeugte Wasserstoff und optional der Sauerstoff der Energieschiffe in die Zwischenspeicher des Mutterschiffes gepumpt (entladen). Im Gegenzug versorgt das Mutterschiff die Energieschiffe mit elektrolysefähigem Wasser. Der optional mögliche Umwandlungsprozess von H2 und CO2 zu dem Endprodukt Methanol (alternativ Ammoniak) ist dabei ein gepufferter, kontinuierlicher Prozess.In The simplest form is the mothership as a floating storage / transfer station for hydrogen and electrolyzable Water and optionally also oxygen conceived. The mothership has basically the multiple loading capacity of individual energy vessels. In the case of the conversion of hydrogen gas and CO2 to methanol on the mothership, becomes the generated hydrogen and optionally the oxygen of the energy vessels in the latches of the mothership pumped (unloaded). In return, that provides Mother ship the power ships with electrolyzable water. The optional possible Conversion process of H2 and CO2 to the final product methanol (alternative Ammonia) is a buffered, continuous process.
Abhängig von der Anlagengrösse für die Methanolerzeugung (alternativ einer Anlage für die Ammoniakerzeugung) ist auch eine Erzeugung des flüssigen Methanols oder Ammoniaks auf den Energieschiffen direkt möglich. In diesem Falle ist die Funktion des Mutterschiffes auf das Umladen/Zwischenspeichern von Betriebsstoffen (CO2 und elektrolysefähiges Wasser) und den auf den Energieschiffen erzeugten Produkten Methanol oder Ammoniak und (optional) Sauerstoff beschränkt.Depending on the size of the plant for the Methanol production (alternatively a plant for ammonia production) is also a generation of liquid Methanol or ammonia directly on the energy vessels. In In this case, the function of the mothership on the reloading / caching of operating materials (CO2 and electrolyzed water) and the on the Energy products produced methanol or ammonia and (optional) Oxygen limited.
Bei dem Einsatzbereich rund um die Antarktis (Westwinddrift) sollte das bevorzugte Be- und Entladen der Mutterschiffe in „Umschlagshäfen" mit entsprechenden Speicherkapazitäten im südlichen Bereich der Erdhalbkugel erfolgen, wie z. B. an der Südküste der Republik Südafrika, Tasmanien (Australien), Patagonien (Argentinien, Chile), Neuseeland oder diversen kleineren Inseln. Optional ist das Mutterschiff auch für das Andocken von Transportschiffen auf hoher See auszurichten.at the area of application around the Antarctic (west wind drift) should the preferred loading and unloading of motherships in "transshipment ports" with corresponding storage capacity in the south Be carried out area of the earth hemisphere, such. B. on the south coast of Republic of South Africa, Tasmania (Australia), Patagonia (Argentina, Chile), New Zealand or various smaller islands. Optionally, the mothership is also for docking to be aligned by transport vessels on the high seas.
4. Das Transportschiff:4. The transport ship:
Das Transportschiff bringt den tiefgekühlten flüssigen Wasserstoff respektive das flüssige Methanol oder Ammoniak und tiefgekühlten flüssigen Sauerstoff (optional) vom diesen „Umschlaghäfen"/den Mutterschiffen zu Seehäfen in alle Welt. Von dort werden der Wasserstoff, respektive das Methanol/Ammoniak und der Sauerstoff (optional) zu den Verbraucherschwerpunkten auf dem Festland transportiert. Im Prinzip können diese Transportschiffe für den tiefgekühlten flüssigen Wasserstoff, das flüssige CO2 und den flüssigen Sauerstoff (optional) wie bereits existierende Flüssiggastanker konstruiert sein. Die Transportschiffe für den „Antransport von elektrolysefähigem Wasser und den Abtransport von Methanol/Ammoniak könnten im Prinzip wie bereits existierende Benzintanker konstruiert sein.The transport ship brings the frozen liquid hydrogen or the liquid methanol or ammonia and frozen liquid oxygen (optional) from these "transhipment ports" / motherships to seaports all over the world, from where the hydrogen, respectively the methanol / ammonia and the oxygen (optional In principle, these transport vessels for the deep-frozen liquid hydrogen, the liquid CO2 and the liquid oxygen (optional) as already possible existing liquefied gas tanker be constructed. The transport vessels for the transport of electrolyzed water and the removal of methanol / ammonia could in principle be designed as existing gasoline tankers.
Bei zentralen großen „Verdampferanlagen" (z. B. bei Einspeisestatio nen für Wasserstoff-/Sauerstoffpipelines) für den tiefgekühlten flüssigen Wasserstoff sowie den tiefgekühlten flüssigen Sauerstoff (optional) besteht die Möglichkeit über vorzugsweise mehrstufige Niedertemperaturverdampfungsprozesse (N2-, CO2-, Ammoniakkreislauf, etc – analog zu einem Dampfkraftwerk) einen großen Teil der für die Verflüssigung von Wasserstoff, respektive Sauerstoff, erforderlichen Energie in Form von elektrischer Energie zurückzugewinnen. Beim Rückweg bringen die Transportschiffe elektrolysefähiges Wasser und für die Methanolsynthese gekühltes flüssiges CO2 zu den „Umschlaghäfen" oder den Mutterschiffen.at central large "evaporator systems" (eg in feed stations NEN for hydrogen / oxygen pipelines) for the frozen liquid Hydrogen and the frozen liquid Oxygen (optional) has the option of preferably multi-stage Low-temperature evaporation processes (N2, CO2, ammonia cycle, etc - analog to a steam power plant) a large part of for liquefaction of hydrogen, respectively oxygen, required energy in Regain form of electrical energy. On the way back bring the Transport vessels electrolysable Water and for the methanol synthesis cooled liquid CO2 to the "transhipment ports" or the mother ships.
Das zur Methanolsynthese erforderliche flüssige CO2 kann z. B. aus Reformeranlagen zu Abscheidung von CO2 und Gewinnung von Wasserstoff aus Erdgas, den Abgasen von thermischen Kraftwerken, Offshoreerdölbohrinseln oder grossen Industrieanlagen gewonnen werden. Die Abscheidung des CO2 aus dem Abgas eines thermischen fossil- oder mit Methanol befeuerten Kraftwerkes wird dabei erheblich vereinfacht (weit weniger aufwendig) wenn diese thermischen fossil- oder mit, aus Ozean-Windkraft erzeugten, Methanol befeuerten Kraftwerke statt mit Luft mit reinem Sauerstoff betrieben werden. Aus wirtschaftlichen Gründen wäre es daher für die Einführung eines CO2-Kreislaufprozesses vorteilhaft, in Zukunft thermische Kraftwerke in küstennahen Standorten zu errichten..The for the synthesis of methanol required liquid CO2 can, for. B. from reformers for the capture of CO2 and the extraction of hydrogen from natural gas, the exhaust gases from thermal power plants, offshore oil rigs or large industrial plants. The capture of CO2 from the exhaust gas of a thermal fossil or methanol fueled Power plant is considerably simplified (far less expensive) if these thermal fossil or with, from ocean wind power, Methanol fired power plants instead of air with pure oxygen operate. For economic reasons, it would be therefore for the introduction of a CO2 cycle process advantageous, in future thermal power plants in coastal areas Build sites ..
Claims (28)
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DE102007019027A Ceased DE102007019027A1 (en) | 2006-04-18 | 2007-04-18 | Regenerative generation method for hydrogen and oxygen, ammonia and methanol from wind energy into electrical energy, involves transforming energy and subsequent electrolysis of water with obtained electrical energy |
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