DE102008024414A1

DE102008024414A1 - Drachen-Kraftwerk

Info

Publication number: DE102008024414A1
Application number: DE200810024414
Authority: DE
Inventors: Bengt Noelting
Original assignee: Nolting Bengt Dipl-Phys Dr
Current assignee: Nolting Bengt Dipl-Phys Dr
Priority date: 2008-05-16
Filing date: 2008-05-16
Publication date: 2009-11-19

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren und Geräte zur preiswerten ökologischen Erzeugung von Elektroenergie. Erfindungsgemäß werden Cluster von Drachen (mit z. B. gleitschirmähnlicher Geometrie) genutzt, um schienengeführte Wagen zu ziehen, deren Bewegung mittels Generatoren zur Erzeugung von Elektroenergie genutzt wird. Vorzugsweise kreuzen die Wagen auf Bahnen mit sehr flacher Ovalform annähernd senkrecht zur Windrichtung.

Description

Ziel der Erfindung
Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Technologie zur kostengünstigen Produktion von Elektroenergie aus Windenergie.
Charakteristik des bekannten Standes der Technik
Der Netzeinspeisepreis für Elektroenergie liegt in Deutschland typischerweise bei ca. 8 ct/kWh für große Windkraftwerke, verglichen mit ca. 5 ct/kWh für manche gut laufende große Wasserkraftwerke. Leider ist die Energie von Wasser in fast allen Ländern auf der Erde nur in relativ geringem Maße vorhanden im Vergleich zur Windenergie. Z. B. beträgt die Energie von jährlich 500 mm Regen/m² bei 1000 m genutztem Höhenunterschied nur durchschnittlich 0,16 W/m² verglichen mit oft mehr als 10 W/m² spezifischer Energieausbeute bei der Nutzung von Windenergie.
Ein Hauptgrund für den relativ hohen Preis von Windenergie herkömmlicher Windkraftanlagen ist der kolossal hohe Materialeinsatz für den Mast, dessen Verankerung und die Flügel, oft über 1000 t/MW Durchschnittsleistung. Bei solchem hohen Materialeinsatz existiert auch mittels Ersatz durch billigere Materialien nur wenig Potential für eine erheblich preiswertere Elektroenergieerzeugung.
Beschreibung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden schienen-geführte Wagen von Drachenclustern gezogen und wird die dadurch entstehende Fahrt zur Elektroenergieproduktion verwendet. Dazu enthalten die Wagen geeignete Generatoren. Da die Drachencluster dünnes Material und Seile oder seilartige Bauteile verwenden (z. B. Bänder, Ketten oder Drähte), kann der gewaltige Materialeinsatz für Turm und Flügel herkömmlicher Windräder durch sehr wenig Material substituiert werden.
Da der relative Materialaufwand bei Drachen mit der Größe ansteigt (z. B. kann für ein 30 m × 10 m Drachen Fallschirmtuch mit einer Dicke von ca. 0,2 mm reichen, während man für einen Drachen von 3000 m × 1000 m typischerweise Material mit einer Dicke von weit über 1 mm benötigen würde), werden viele kleine Drachen in einem Cluster verwendet. Man könnte auch viele winzige Wagen mit einzelnen Drachen fahren lassen, aber das würde pro Schienenlänge i. a. eine geringere Energieausbeute zur Folge haben und hätte einen relativ höheren Betriebsaufwand zur Folge.
Entscheidend für den ökonomischen Erfolg dieser Technologie ist es, den Gesamtmaterialaufwand gering zu halten. Vorzugsweise wird der Bodenkontakt der Wagen mittels zahnradbahn-ähnlichen Vorrichtungen unterstützt. Vorzugsweise kreuzen die Wagen in relativ stetigen Winden annähernd quer zur Windrichtung, z. B. auf einer oval-förmigen Bahn. Unter Drachen werden hier jegliche Art von Fluggeräten verstanden, die bei Windanströmung in der Atmosphäre aufsteigen können, wenn sie mit dem Wagen über ein Seil oder ein seilartiges Bauelement verbunden sind.
Die Erfindung kann Anwendung finden zur preiswerten, nachhaltigen und ökologischen Erzeugung von Elektroenergie.
Ausführungsbeispiel
Beispiel gemäß 1 und 2: Ein Wagen (10) wird von einem Cluster von Drachen (12) gezogen. Die Fahrt des Wagens (10) wird mithilfe einer Schiene (11) oder zweier Schienen gelenkt. Vorzugsweise kreuzt der Wagen (10) annähernd quer zur Windrichtung (21) auf einer annähernd oval-förmigen Bahn (20), von z. B. 100 km Länge und 1 km Breite. Mehrere annähernd oval-förmige Bahnen (20) mit unterschiedlichen Größen können ineinander geschachtelt sein, z. B. 10 Bahnen auf einer Fläche von 100 km × 10 km. Verschiedene Drachencluster können zwecks besserer Windausbeute in verschiedenen Höhen operieren.
Der Wagen (10) enthält einen Generator (nicht gezeigt), welcher Bewegungsenergie in Elektroenergie umwandelt. Bei 10 MW Durchschnittsleistung des Generators kann dessen Masse 50 t betragen, so daß die Gesamtmasse eines Wagens etwa 80 t beträgt (z. B. ca. 20 m Länge, ca. 3 m Durchmesser, Baukosten bei größeren Stückzahlen grob geschätzt 3 Mio Euro). Falls die Wagen in 200 m Abstand laufen, kommen pro Wagen noch ca. 500 t Schienenstahl, Beton, Schotter und Sand hinzu (grob geschätzt 0,5 Mio Euro, inklusive der Erdarbeiten im Gelände mit nicht zu großem Gefälle).
Für durchschnittlich ca. 10 MW Elektroenergieproduktion muß das Cluster der Drachen eine Fläche von ca. 0,2 km² (nur auf einer Seite gemessen, d. h. ein Abschnitt von 1 m Länge und 1 m Breite zählt als 1 m²) aufweisen (z. B. 100 Drachen von 60 m × 30 m). Viel größere Drachencluster könnten nur in größeren Höhen betrieben werden, wodurch der spezifische Materialaufwand für das Halteseil (pro erzeugter Leistung) zu groß werden würde (bei 10 MW und z. B. 10 m/s Geschwindigkeit des Wagens, beträgt die Zugspannung schon über 100 t, was ein Halteseil am Wagen von ca. 8 cm Durchmesser erfordert). Außerdem wäre der technische Aufwand zum Start des Drachenclusters zu hoch. Das Gewicht des Drachenclusters mit Halteseil beträgt etwa 50 t (0,3 Mio Euro). D. h. für eine Vielzahl von Wagen kann der Gesamt-Materialeinsatz pro MW Durchschnittsleistung bei etwa 60 t liegen, also etwa 20 mal geringer sein, als typischerweise bei herkömmlichen großen Windrädern. Leitungskosten und Umspannkosten zum Stromnetz belaufen sich bei größeren Anlagen auf grob geschätzt 1 Mio Euro/Wagen. Bei Betrieb von je 10 Wagen durch eine Person fallen innerhalb von 10 Jahren pro Wagen grob geschätzt 0,2 Mio Euro Betriebskosten an. Insgesamt entstehen in 10 Jahren pro Wagen mit 10 MW durchschnittlicher Elektroenergieproduktion grob geschätzt Kosten von 5 Mio Euro.
Bei einem Verkaufspreis von 5 ct/kWh (entspricht dem Netzeinspeisepreis für Elektroenergie von sehr gut laufenden großen Wasserkraftwerken), entstehen in den 10 Jahren Einnahmen von ca. 10.000 kW × 8700 h × 10 × 0,05 Euro = 43 Mio Euro. Zusätzlich lassen sich durch Zertifikatehandel (aus dem Kyoto-Protokoll resultierend) ca. 7 Mio Euro erwirtschaften, so das es in 10 Jahren etwa zu Einnahmen in Höhe des Zehnfachen des eingesetzten Kapitals kommen würde (ca. 26% Dividende).
In zwei Jahren würden die Einnahmen etwa das Doppelte des eingesetzten Kapitals betragen. Wenn diese in den Aufbau der gleichen Technologie re-investiert werden, kann innerhalb von 4 Jahren das ursprünglich investierte Kapital vervierfacht werden. Bei analoger mehrfacher Re-Investition zum schnellem Aufbau weitere Anlagen ist eine Kapitalverdopplung alle 2 Jahre möglich, d. h. 1 Mio Euro können innerhalb von 10 Jahren auf ca. 32 Mio Euro ansteigen und innerhalb von 20 Jahren auf ca. 1 Mrd Euro.
Insgesamt scheinen einige 100 km windige küstennahe Streifen in Europa geeignet, wodurch eine Elektroenergieproduktion von einigen 100 GW zu Preisen unter 5 ct/kWh möglich sein sollte (bedenkend, daß mehre annähernd parallele Wagenspuren möglich sind und einige % Geländegefälle nicht nivelliert werden müßten). Damit ergibt sich eine Möglichkeit, Kapital von einigen 50 Mrd Euro innerhalb von ca. 2 Jahren zu verdoppeln (nach der Entwicklungszeit und bei kurzen Bauphasen und bedenkend, daß die Anlage nach 2 Jahren noch nicht verschlissen ist und wiederverkauft werden kann).
Eine der Schwierigkeiten dieser Technologie ist die Aerodynamik des Drachenclusters, das so gestaltet werden muß, daß gute aerodynamische Stabilität bei wenig Steuerungsaufwand gewährleistet ist. Aus diesem Beispiel geht annähert hervor, wie eine winzige Pilotanlage (z. B. mit einigen kW Gesamtleistung) konzipiert werden könnte, um die Drachengeometrie zu optimieren, z. B. mittels Verseilung von vielen Drachen zu einer kasten-ähnlichen Anordnung.
Falls sich einzelne Drachen im Cluster miteinander verfangen, sollte das bei geeigneter Konstruktion des Clusters keine dramatischen Auswirkungen haben. Durch die Seilgeometrien sind die einzelnen Drachen so positioniert, daß sie gewöhnlich einen gewissen Abstand zum Nachbarn haben. Falls ein gesamtes Cluster zu Boden geht, kann es mittels Hilfsdrachen wieder gestartet werden.
In diesem Ausführungsbeispiel werden viele Parameter und Teilkomponenten sehr genau spezifiziert. Diese Spezifikationen sind jedoch nur als Beispiele für ein besseres Verständnis des Prinzips zu sehen und die technischen Parameter und die Wahl der Teilkomponenten können auch ganz anders ausfallen. Insbesondere können natürlich auch z. B. andere technischen Parameter der Wagen, Typen und Geometrien von Clustern von Drachen, Leistungsparameter der Drachen, Typen und Geometrien von Generatoren und Energiewandlern, Gesamtgeometrien und Anzahlen der Teilkomponenten der Anlagen, Leistungsdichten und genutzte Flächen zur Anwendung kommen. Die meisten angegebenen technischen Parameter sind nur als grobe Abschätzungen zu sehen, um eine anschauliche Vorstellung zu vermitteln und können oft um einen Faktor 2 von präzisen Werten abweichen.

Claims

Geräte und Verfahren zur Nutzung von Windenergie, dadurch gekennzeichnet, daß – ein Wagen von einem Drachencluster im Wind angetrieben wird, – die Windenergie in Elektroenergie umgewandelt wird mittels eines im Wagen befindlichen Generators, – die Spur des Wagens mittels mindestens einer Schiene stabilisiert wird.
Geräte und Verfahren zur Nutzung von Windenergie, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß – zur Übertragung der mechanischen Energie auf den Generator ein am Wagen befestigtes Zahnrad verwendet wird, welches in eine am Gleisbett befestigte Zahnstange greift.
Geräte und Verfahren zur Nutzung von Windenergie, nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß – die Schienenführung so gestaltet ist, daß der Wagen sehr hohen Querkräften widerstehen kann und durch das Drachencluster nicht erheblich angehoben werden kann.
Geräte und Verfahren zur Nutzung von Windenergie, nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß – die Drachen des Drachenclusters jede Art von Fluggeräte sein können, die bei Verbindung mit dem Wagen mittels eines Seils oder eines seil-ähnlichen Bauelements in der Lage sind, durch die Nutzung der Windenergie aufzusteigen und den Wagen zu ziehen.
Geräte und Verfahren zur Nutzung von Windenergie, nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß – Drachen annähernd die Geometrie von typischen Gleitschirmen, Hangglidern oder gleitenden Fallschirmen haben.
Geräte und Verfahren zur Nutzung von Windenergie, nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß – das Drachencluster mehr als 10 annähernd baugleiche Drachen beinhaltet.
Geräte und Verfahren zur Nutzung von Windenergie, nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß – das Drachencluster nach einem Absturz mittels Hilfsdrachen wieder gestartet werden können.
Geräte und Verfahren zur Nutzung von Windenergie, nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß – der Wagen eine Masse zwischen 10 t und 300 t hat und im Betrieb durchschnittlich zwischen 1 und 30 MW elektrische Leistung aus Windenergie erzeugt.
Geräte und Verfahren zur Nutzung von Windenergie, nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß – das Drachencluster eine Gesamtoberfläche von 0,001 km²–1 km² hat.
Geräte und Verfahren zur Nutzung von Windenergie, nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß – das die erzeugte Elektroenergie mittels Schleifkontakten vom Wagen in das stationäre Stromnetz übertragen wird.
Geräte und Verfahren zur Nutzung von Windenergie, nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß – das eine zusammenhängende Anlage mehr als 100 Wagen enthält und durchschnittlich mehr als 100 MW Elektroenergie erzeugt.