DE102012021012A1

DE102012021012A1 - Anordnung zur mobilen Speicherung mechanisch gewonnener Energie in großen Mengen

Info

Publication number: DE102012021012A1
Application number: DE201210021012
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-10-28
Filing date: 2012-10-28
Publication date: 2014-04-30

Abstract

Bei bekannten Energieerzeugern mit angeschlossener Vorrichtung zur Speicherung der Energie werden Erzeuger und Speicher üblicherweise mittels elektrischer Energie verbunden. Beispiele sind Wind-, Wasser-, Wellen- und Gezeitenkraftwerke in Kombination mit Speicherkraftwerken. Hier wird die gewonnene, mechanische Energie über Generatoren in elektrische Energie umgewandelt und mittels Strom an Speicherkraftwerke weitergeleitet. Das dieser Erfindung zugrunde liegende technische Problem besteht nun darin, mechanische Energie zu gewinnen und in einer Form zu speichern, die in einfacher Weise und in großen Mengen transportiert und auch umgeladen werden kann ohne den Umweg über elektrische Energie mittels Generatoren, Motoren oder chemischen Anlagen zur Speicherung der Energie und elektrischen Kabeln zum Transport. Diese Erfindung schlägt eine Anordnung vor, die mechanische Energie gewonnen aus Wind, Wellenbewegungen und/oder Wasserströmungen in mechanischer Form durch den Antrieb von mechanischen Vorrichtungen vorzugsweise zur Verflüssigung von Luft und/oder Luftbestandteilen und/oder Erhitzung/Abkühlung von Materials mit hoher Wärmekapazität nutzt, und dies in einem angeschlossene Speicher für den Transport lagert. Erfindungsgemäß werden diese Vorrichtungen in solch einer Weise angeordnet, dass Energiegewinnung und Speicherung durch mechanische Kopplung am selben Ort erfolgt, um die gesamte Anordnung mobil auf und/oder unter Wasser betreiben zu können. Des weiteren schlägt diese Erfindung vor, die verflüssigte Luft und/oder des erhitzte/abgekühlte Material in Tanks zu speichern, und in großen Tankschiffe zu anderen Vorrichtungen zu transportieren, wo eine weitere Speicherung und/oder bedarfsentsprechende Umwandlung der gespeicherten Energie in elektrische Energie erfolgt zur Einspeisung in das Stromnetz. Die auf der Erde zur Verfügung stehende Energie in Form von Wind, Wellen und Wasserströmung ist zum überwiegenden Teil auf den Weltmeeren vorzufinden. Eine Gewinnung dort ist einfach. Im Gegensatz hierzu ist der Bau von Wind-, Wasser- und Wellenkraftwerken an Land und/oder Landnahen Bereichen nachteilig, da diese Orte unzugangbar, bewohnt, verpachtet, Verkehrswege blockieren und/oder behindern oder aufgrund von Eigentumsverhältnissen wirtschaftlich nicht genutzt werden können. Diese Erfindung dient der Gewinnung von Energie aus Wind, Wellen oder Wasserströmungen auf hoher See und deren Speicherung mittels eines Mediums wie flüssiger Luft, welches in Schiffen über weite Strecken und in großen Mengen zu Kraftwerken/Verbrauchern transportiert werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur mobilen Speicherung mechanisch gewonnener Energie in großen Mengen.
Vorrichtungen zur Gewinnung von Energie in mechanischer Form existieren in vielfältiger Weise. So gibt es Wind-, Wasser-, Wellen- und Gezeitenkraftwerke, die mechanische Energie über Generatoren in elektrische Energie umwandeln. Beispielhaft herangezogen seien hier ohne Anspruch auf Vollständigkeit: DD000000296734A5 – Einrichtung zur Erzeugung von Elektroenergie aus Windkraft, DD000000238829A1 – Windkraftanlage und DD000000203598A5 – Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Windenergie.
Im Gegensatz hierzu stehen Kraftwerke, die nichtmechanische Energie in elektrische Energie umwandeln z. B. Solarthermie-, Kohle- und Kernkraftwerke. Diese Energie wird gewonnen aus Licht, chemischer Verbrennung und atomaren Prozessen wie Zerfall oder Verschmelzung von Atomkernen, wobei die Energieerzeugung über den Umweg mechanischer Energie erfolgt. Auch gibt es Atombatterien, die direkt durch atomare Zerlegungsprozesse freigesetzte Ladungsträger einfangen und dadurch direkt in elektrische Energie umsetzen. Ähnlich setzen Solarzellen Lichtenergie direkt in elektrische Energie um.
Für die Gewinnung von großen Mengen an Energie in elektrischer Form sind leistungsstarke Generatoren und Starkstromkabel erforderlich, deren Kosten einer ökonomischen Gewinnung entgegenstehen. Die hohen Kosten zur Errichtung von Windkraftanlagen auf See und deren Anbindung an das Stromnetz ermöglichen eine wirtschaftliche Nutzung nur in Landnähe und bei hohen Energiekosten.
Vorrichtungen zur Speicherung von Energie erfolgen in der Regel über den Umweg der elektrischen Energie z. B. in Speicherkraftwerken, die mittels elektrischer Motoren – und damit dem Umweg mechanischer Energie – Pumpen antreiben und damit Wasser von niedrig gelegenen Seen in höher gelegene Seen transportieren und somit Energie in Form potentieller Energie von Wasser speichern. Neue Ansätze nutzen Druckluft zur Speicherung von Energie, wobei auch hier die gespeicherte Energie in elektrischer Form zugeführt wird. Ebenfalls elektrisch zugeführte Energie wird genutzt von Vorrichtungen zur Speicherung der Energie in rein elektrischer oder in chemischer Form. Beispielhaft erwähnt seien Kondensatoren und Akkumulatoren.
Bei Hybridfahrzeugen wird bei Bremsvorgängen mechanisch vorliegende Energie ebenfalls mittels Generatoren in elektrische Energie umgewandelt und dann in Akkumulatoren gespeichert.
Eine rein mechanische Energiespeicherung beispielsweise in Fahrzeugen nutzt Schwungscheiben, die mechanische Bremsenergie in mechanische Rotationsenergie speichern ohne den Umweg der elektrischen Energie. Nachteilig ist jedoch, dass große Mengen von Energie nicht sinnvoll gespeichert, transportiert und umgeladen werden können.
Um die auf den Weltmeeren verfügbar Energie nutzen zu können, muss die Energie bereits am Erzeugungsort in eine transportierbare Form umgewandelt werden. Dadurch kann der kostengünstige Transport vom Erzeugungsort zu Kraftwerken an Einspeisepunkten des Stromnetzs mittels grosser Schiffen wirtschaftlich erfolgen.
Der Transport über Elektrizität ist aktueller Stand der Technik, wie die Existenz von an das elektrische Stromnetz angeschlossenen Windparks auf See zeigt. Der Transport von Energie mittels Schiffen in Form von Öl ist ebenfalls Stand der Technik. In DE 10 2008 031 437 A1 wird vorgeschlagen auf den Weltmeeren gewonnene Energie mittels elektropositiven Metallen als Energieträger zu transportieren. Jedoch ist hierbei wieder der Einsatz von elektrischen Generatoren und Kabeln erforderlich, um die Energie in dem elektropositiven Metall einzubringen. Auch nachteilig ist, dass dieses Metall kostspielig ist und in beide Richtungen transportiert werden muss.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, mechanische Energie zu gewinnen und in einer Form zu speichern, die in einfacher Weise und in großen Mengen transportiert und auch umgeladen werden kann ohne den Umweg über elektrische Energie.
Diese Erfindung vermeidet die Verwendung von z. B. Generatoren zur Umwandlung der mechanischen Energie in elektrische, vermeidet die Verwendung von Energiewandlern wie Motoren oder chemischen Anlagen zur Speicherung der Energie in mechanischer oder chemischer Form, und vermeidet die Verwendung von elektrischen Kabeln zum Transport der elektrischen Energie zwischen Motoren und Energiewandlern.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe, wird gemäß Anspruch 1 eine Anordnung vorgeschlagen, bestehend aus einer Vorrichtung zur Gewinnung von mechanischer Energie, einer Vorrichtung zur Änderung des thermodynamischen Zustandes eines transportierbaren Mediums und einer Vorrichtung zur Speicherung dieses Mediums. Diese Anordnung nutzt die mechanisch gewonnene Energie ohne den Umweg über elektrischen Energie und führt die mechanische Energie über eine mechanische Kraftkopplung direkt einer zweiten Vorrichtung zu. Die mittels der mechanischen Energie angetriebene zweite Vorrichtung dient dazu mittels Kompression/Verflüssigung oder Gefrierung eines Mediums als Energieträger, die Energie in diesem Medium zu speichern und in einer angeschlossenen Vorrichtung dieses Medium zu speichern. Hierbei kann das Medium entweder aus der Umgebung oder der angeschlossenen Speichervorichtung entnommen werden. Das in der Speichervorrichtung vorhandene Medium kann entweder in dieser transportiert werden z. B. durch Austausch dieser dritten Vorrichtung mit einer weiteren gleichartigen Vorrichtung, oder durch Entladung des Mediums in eine weitere grössere, mobile Speichervorrichtung.
Genau genommen wird bei Abkühlung oder Luftverflüssigung Energie dem Medium entnommen. Im Sinne der Thermodynamik ist eine Entnahme der Energie das genaue Gegenteil einer Energiespeicherung. Aufgrund der Reversibilität kann jedoch durch einen Energiefluss in das Medium wiederum elektrische Energie gewonnen werden, so dass im Zuge der Erfindung und im übertragenen Sinne doch von einer Energiespeicherung gesprochen wird. Auch wird mechanische Energie bei der Umkehrung der Luftverflüssigung freigesetzt, die für die Stromerzeugung genutzt werden kann.
In weiterer Ausgestaltung wird gemäß Anspruch 2 vorgeschlagen, dass als Energiequelle die mechanische Energie aus Wind und/oder Wasserströmungen und/oder Wellenbewegungen genutzt wird. Das sollte vorzugsweise durch die Nutzung der relativen Bewegung von Wind gegenüber Wasser, der relativen Bewegung von Wind oder Wasser gegenüber fixierten oder verankerten Orten, oder der Wellenbewegung von Wasser geschehen.
Gemäß der weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 3 wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung zur Speicherung der Energie eine Vorrichtung zur Kühlung und/oder Erhitzung und/oder Kompression eines Mediums ist. Derartige Vorrichtungen seien beispielshaft genannt: Wärmekraftmaschinen, Stirlingkühler oder Pulsröhrenkühler in mannigfaltigen Ausführungen.
Eine vorteilshafte Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 4 nutzt als Medium Luft oder einzelne Bestandteile der Luft. Dieses Medium ist einfach und in grosser Menge in verflüssigter, gefrorener oder auch komprimierter Form speicherbar. Hierbei ist die Nutzung von verflüssigter Luft eine bevorzugte Ausprägung der Erfindung.
Entsprechend der bestimmungsgemäßen Nutzung wird nach Anspruch 5 vorgeschlagen, dass die zur Speicherung des Mediums genutzte Vorrichtung durch eine andere ausgetauscht werden kann oder durch eine Vorrichtung ausgestattet ist, die die gespeicherte Energie und/oder das Medium entleeren kann. Dies kann durch Nutzung von z. B. Tanks erfolgen, die entweder getauscht oder umgefüllt werden. Die erste Variante kann mit dem Transport der Ladung in Containerschiffen verglichen werden, bei dem ein Tank einem Container entspricht. Die zweite Variante ähnelt Öltankern, die als flüssigen Energieträger Öl aus Tanks in das Schiff füllen und am Bestimmungsort wieder ausladen. Vorrichtungen zur Speicherung von flüßiger Luft und/oder erhitztem und/oder gekühltem Material sind Stand der Technik. Examplarisch genannt seien hier für kleine Mengen: Preßluftflaschen, Dewarflaschen und Thermoskannen.
In weiterer Ausgestaltung wird gemäß Anspruch 6 vorgeschlagen, dass die erfindungsgemäße Anordung und/oder einzelne Komponenten hiervon über und/oder unter Wasser angebracht sind und sich entlang des Wassers bewegen und/oder an einem und/oder mehreren Orten fixiert sind. Beispielhaft sei hier die Anbringung der Anordnung beispielsweise auf einem Schiff oder einer am Boden fixierten Plattform, die auf oder unter Wasser treibt, angeführt.
Gemäß der weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 7 schlägt die Erfindung vor, das Medium aus der Umgebung zuzuführen. Dies ist insbesondere im Falle von Luft als bevorzugtes Medium vorteilhaft, da dieses Medium an jedem Ort oberhalb der Wasseroberfläche einfach zur Verfügung gestellt werden kann und nicht an den Ort der Energiegewinnung transportiert werden muss.
In weiterer Ausgestaltung wird gemäß Anspruch 8 vorgeschlagen, dass das Medium aus der Vorrichtung zur Speicherung des Mediums zugeführt wird. So steht beispielsweise Material mit hoher Wärmekapäzität zur Verfügung, welches als Medium in einer Ausprägung der Erfindung verwendet wird. Damit dient der Speicher für das Material sowohl für die energiearme als auch die energiereiche Form.
Entsprechend der bestimmungsgemäßen Nutzung wird nach Anspruch 9 vorgeschlagen, für die Vorrichtung zur Energiegewinnung eine oder mehrere Vorrichtungen wie Windsegel und/oder Winddrachen und/oder Flettnerrotor und/oder Unterwassersegel und/oder Unterwasserdrachen zu verwenden, die aus der Wind und/oder Wasserstroemung eine Kraft zum Vortrieb gewinnen, der als Relativbewegung gegenüber Wasser Turbinen, Rotoren oder Propeller antreiben und so mechanische Energie als Rotationsbewegung gewinnen. Auch die direkte Nutzung von Wind und/oder Wasserströmungen zum Antrieb von Turbinen, Rotoren oder Propeller wird vorgeschlagen, hierbei sollte die gesamte Vorrichtung vorzugsweise fixiert oder zumindest in der Bewegung durch beispielsweise den Widerstand des Wassers verzögert werden. Schließlich kann auch die Wellenbewegung durch Schwimmkörpern und/oder sich schlangenförmig und/oder fischförmig unter und/oder über Wasser bewegenden Körpern als Quelle der zu gewinnenden mechanischen Energie entsprechend dem Vorschlag dieser Erfindung genutzt werden.
Gemäß der weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 10 wird vorgeschlagen für den Betrieb der gesamten Vorrichtung und/oder zur kontrollierten Steuerung des Ortes des beispielsweise Schiffes, eine weitere Vorrichtung an die nach Anspruch 1–9 vorgeschlagene Vorrichtung anzuschliessen, welche elektrische und/oder mechanische Energie gewinnt, die nicht zur Energiespeicherung genutzt wird. Diese Energie kann genutzt werden, um Computer, Navigationsanlagen, Positionierungsanlagen, Autopiloten und andere elektrische Einrichtungen für die lokale Nutzung zu gewinnen. Auch kann die Energie genutzt werden, um ein Schiff anzutreiben, auf dem die erfindungsgemäße Anordnung angebracht ist, um dieses Schiff selbständig zu einem Tankschiff für die Entladung fahren zu lassen.
Exemplarisch sei hier ein Ausführungsbeispiel dargestellt und im folgenden beschrieben. Die auf der Erde zur Verfügung stehende Energie in Form von Wind, Wellen und Wasserströmung ist zum überwiegenden Teil auf den Weltmeeren vorzufinden. So wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, zu diesen Orten Schiffe zu bringen. Diese Schiffe seien ausgestattet mit Flettnerrotoren, unter Wasser angebrachten Propellern, einer kompakten Luftverflüssigungsanlage und einem Tank für flüssige Luft. Die Flettnerrotoren dienen dazu, mit Hilfe von Windkraft die Schiffe voranzutreiben. Durch die so erreichte Bewegung des Schiffes werden die unter Wasser angebrachten Propeller in Rotation versetzt. Die so gewonnene mechanische Energie dient dem Antrieb der Luftverflüssigungsanlage, die mittels Pulsröhrenkühler Luft aus der Umgebung verflüssigt und in den angeschlossenem Tank einleitet. Die so gewonnene flüssige Luft wird anschliessend von mehreren Schiffen gesammelt und in grossen Tankern zum Festland transportiert, wo Kraftwerke durch Nutzung der flüssigen Luft Elektrizität erzeugen. Diese Nutzung kann durch Umkehrung thermodynamischer Prinzipien erfolgen oder vergleichsweise einfach durch die Ausdehnung der Luft bei Erwärmung dieser oberhalb des Siedepunktes.
Alle in der Beschreibung und den Patentansprüchen genannten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DD 000000296734 A5 [0002]
DD 000000238829 A1 [0002]
DD 000000203598 A5 [0002]
DE 102008031437 A1 [0009]

Claims

Anordnung bestehend aus einer Vorrichtung zur Gewinnung von mechanischer Energie, einer Vorrichtung zur Nutzung der Energie zur Änderung des thermodynamischen Zustands eines Medium und einer Vorrichtung zur Speicherung des Mediums, dadurch gekennzeichnet, dass die gewonnnene mechanische Energie aus der ersten Vorrichtung auf mechanischem Wege der zweiten Vorrichtung zugeführt wird, und dass die zweite Vorrichtung auf mechanischem Wege, ein Medium komprimiert und/oder verflüssigt und/oder gefriert und/oder erhitzt und/oder kühlt, dass dieses Medium in einer dritten Vorrichtung in grossen Mengen aufbewahrt, transportiert und/oder entleert werden kann, und dass dieses Medium nach dem Transport bestimmungsgemäß für die Energieerzeugung genutzt wird.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Gewinnung von mechanischer Energie Wind und/oder Wasserströmungen und/oder Wellenbewegungen als Energiequelle nutzt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Nutzung der Energie eine Vorrichtung zur Kühlung und/oder Erhitzung und/oder Kompression eines Mediums ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium aus Luft oder einzelne Bestandteile der Luft besteht und als gespeichertes Medium in flüssiger und/oder gefrorener und/oder komprimierter Form vorliegt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Speicherung des Mediums genutzte Vorrichtung durch eine andere ausgetauscht werden kann oder durch eine Vorrichtung ausgestattet ist, die die gespeicherte Energie und/oder das Medium entleeren kann.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordung und/oder einzelne Komponenten hiervon über und/oder unter Wasser angebracht sind und sich entlang des Wassers bewegen und/oder an einem und/oder mehreren Orten fixiert sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorrichtung zur Nutzung der Energie das Medium aus der Umgebung zugeführt wird.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorrichtung zur Nutzung der Energie das Medium aus der Vorrichtung zur Speicherung des Mediums zugeführt wird.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Energiegewinnung durch eine oder mehrere Vorrichtungen wie Windsegel und/oder Winddrachen und/oder Flettnerrotor und/oder Unterwassersegel und/oder Unterwasserdrachen und/oder rotatorischen Vorrichtungen wie Turbinen und/oder Rotoren und/oder Propeller vorzugsweise direkt und/oder indirekt angetrieben durch die relative Bewegung von Wind und/oder Wasser und/oder fixierten Orten, und/oder sich rhythmisch bewegenden Vorrichtungen mittels auf der und/oder knapp unterhalb der Wasser befindlichen Schwimmkörpern und/oder sich schlangenförmig und/oder fischförmig unter und/oder über Wasser bewegenden Körpern erfolgt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass an eine oder mehrere einzelnen Vorrichtungen der vorgenannten Ansprüche eine weitere Vorrichtung angeschlossen ist, um elektrische Energie zu gewinnen, die genutzt wird für Steuerungvorrichtungen der gesamten Anordnung, und/oder um Energie zu entnehmen für die Steuerung der Fortbewegung und/oder dem Vortrieb der gesamten Anordnung.