DE102012023911A1

DE102012023911A1 - Vorrichtung zur Erzeugung von chemisch gebundener Energie aus Windenergie

Info

Publication number: DE102012023911A1
Application number: DE201210023911
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-12-07
Filing date: 2012-12-07
Publication date: 2014-06-12

Abstract

Bei einer Vorrichtung zur Erzeugung von chemisch gebundener Energie aus Windenergie ist eine Methanisierungsanlage (21) auf einem Schwimmkörper (1) angeordnet. Der Schwimmkörper (1) wird beispielsweise von Segeln (7–9) oder einem Flettnerrotor (10) angetrieben und dessen Vortriebsenergie von einem Propeller (16) aufgenommen. Das erzeugte Methan wird in Tanktainern (35) mit einzelnen Tanks (20) gespeichert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von chemisch gebundener Energie aus Windenergie mit einem Schwimmkörper, mit einem Vortriebserzeuger zur Erzeugung eines Vortriebs des Schwimmkörpers mittels Windenergie, mit einem Vortriebsempfänger zur Umwandlung der Vortriebsenergie in Rotationsenergie und einem Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie aus der Rotationsenergie, mit einem Energieumwandler zur Erzeugung der chemisch gebundenen Energie aus der elektrischen Energie, und mit Tanks zur Speicherung der chemisch gebundenen Energie.
Die Erzeugung von chemisch gebundener Energie auf einem Schwimmkörper hat den Vorteil des geringen Anlageaufwandes und der Nutzung von Hochseegebieten mit besonders konstanten Windverhältnissen. Eine aufwändige Verankerung von Anlagen, wie sie beispielsweise bei „off-shore” installierten Windrädern erforderlich ist, wird hierbei nicht benötigt.
Eine Einrichtung der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus der DE 10 2007 019 027 A1 bekannt. Bei dieser Einrichtung wird Wasserstoff, Ammoniak oder Methanol als chemisch gebundene Energie erzeugt. Die Speicherung und der Transport von Wasserstoff gestalten sich jedoch sehr schwierig. Methanol und Ammoniak werden in Tanks gespeichert und müssen aufwändig umgepumpt werden. Dieses Umpumpen erfordert Zeit, in welcher der Schwimmkörper zur Nutzung der Windenergie nicht zur Verfügung steht. Weiterhin ist die Infrastruktur zur Nutzung von Ammoniak und Methanol sehr begrenzt, so dass zur weiteren Verarbeitung der chemisch gebundenen Energie weitere Investitionen in eine Infrastruktur und gegebenenfalls weitere energieaufwändige Umwandlungsschritte erforderlich sind.
Eine Einrichtung zur Erzeugung von chemisch gebundener Energie aus Windenergie auf einem Schiff ist beispielsweise aus der US 2010/0244450 A1 bekannt. Diese Einrichtung weist auf Masten angeordnete Windräder auf. Diese Windräder erzeugen Elektrizität, aus der beispielsweise Wasserstoff als chemisch gebundene Energie erzeugt wird. Weiterhin leiten die Windräder große Kräfte in das Schiff ein. Das Schiff müsste zur Abstützung der Kräfte stationär verankert sein.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art so weiter zu bilden, dass sie eine besonders einfache Nutzung der erzeugten chemisch gebundenen Energie ermöglicht.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Energieumwandler eine Methanisierungsanlage und eine Kompressionsanlage zur Förderung des erzeugten Methans in den Tanks und zur Erzeugung eines vorgesehenen Drucks und/oder einer vorgesehenen Temperatur in den Tanks aufweist und dass die Tanks lösbar in dem Schwimmkörper angeordnet sind und zur Entnahme der chemisch gebundenen Energie auswechselbar sind.
Durch diese Gestaltung hat der Schwimmkörper mobile Tanks, welche beispielsweise in einem Hafen oder auf See von einem Versorgungsschiff übernommen werden können. Die Übergabe auf See auf einem Versorgungsschiff kann während der laufenden Nutzung der Windenergie durch den Schwimmkörper erfolgen. Damit werden mögliche Unterbrechungen bei der Nutzung der Windenergie vermieden. Auch kann das Methan beispielsweise einem Handelsschiff als Treibstoff übergeben werden. Im Vergleich zum Abpumpen der chemisch gebundenen Energie ermöglicht der Austausch der lösbar im Schwimmkörper angeordneten Tanks eine besonders hohe Geschwindigkeit zur Entnahme großer Mengen an chemisch gebundener Energie. Spezielle Gastanker mit fest installierten Großtanks werden dank der Erfindung nicht benötigt. Der Schwimmkörper hat vorzugsweise die Form eines herkömmlichen Schiffes. Selbstverständlich kann der Schwimmkörper auch die Form eines mehrrumpfigen Schiffes haben. Die Verwendung von Methan als erzeugte chemisch gebundene Energie hat den Vorteil der weiten Verbreitung von Verbrauchern und der einfachen Einbindung in bereits vorhandene für Erdgas genutzte Infrastruktur. Die lösbare und einfach auswechselbare Gestaltung der Tanks lässt sich einfach durch Schnellkupplungen an Anschlussleitungen und Schnellspanner an Halterungen der Tanks erreichen. Die Kompressionsanlage kann einen Kompressor und/oder eine Kühlanlage haben.
Der Transport der chemisch gebundenen Energie gestaltet sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung besonders einfach, wenn die Tanks in Tanktainern mit Abmessungen von handelsüblichen Containern angeordnet sind. Damit weisen die auf dem Schwimmkörper eingesetzten Tanks die Abmessungen der Transporteinheiten auf, die in der Schiffahrt oder bei schienengebundenem Gütertransport weltweit verbreitet sind. Ebenso lassen sich solche Tanktainer auf Lastkraftwagen über Straßen transportieren. Damit kann die herkömmliche Infrastruktur in Häfen oder auf Containerschiffen genutzt werden, um die gespeicherte chemische Energie weltweit zu verteilen. Ein weiterer Vorteil dieser Gestaltung besteht darin, dass die chemisch gebundene Energie in Einheiten abgespeichert ist, welche sich mittels einfacher Kräne verteilen lassen.
Besonders große Mengen an chemisch gebundener Energie lassen sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sehr schnell von dem Schwimmkörper entnehmen, wenn die Tanks als Großtanks ausgebildet sind.
Der Schwimmkörper kann gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung von herkömmlichen Containerschiffen be- und entladen werden, wenn der Schwimmkörper zumindest einen Kran zur Be- und Entladung der Tanks hat. Solche Containerschiffe weisen meist keine eigene Hebemöglichkeit für die Container auf, da sie meist in Häfen be- und entladen werden. Dank der Erfindung werden diese Containerschiffe auf hoher See von dem Schwimmkörper be- und entladen und können die chemisch gebundene Energie in den Häfen wieder abgeben und leere Tanks zu den Schwimmkörpern bringen. Damit ist die Einrichtung nach der Erfindung an die vorhandene Infrastruktur angepasst.
Der Schwimmkörper lässt sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung mit einfachen Mitteln manövrieren, wenn der Vortriebsempfänger zumindest einen Propeller hat, wenn der Propeller einen Antrieb hat und wenn der Propeller in seiner Wirkrichtung drehbar ist oder wenn der Propeller in ihrer Wirkrichtung verstellbare Schaufeln hat. Da der Propeller dank der Erfindung sowohl während der Nutzung der Windenergie die Vortriebsenergie aufnehmen kann und anderenfalls auch die Manövrierung des Schwimmkörpers ermöglicht, weist der Schwimmkörper hierdurch besonders wenige Bauteile auf. Selbstverständlich können ein einziger Propeller oder mehrere Propeller vorgesehen sein. Eine solche Manövrierbarkeit ist insbesondere bei Hafeneinfahrten oder bei Windstille sinnvoll.
Der Schwimmkörper könnte beispielsweise einen herkömmlichen Schiffsdieselmotor als Antrieb aufweisen. Ein solcher Schiffsdieselmotor erfordert jedoch einen großen Bauraum und führt daher zu einem großen Anlagenaufwand. Der bauliche Aufwand zur Erzeugung der Manövrierfähigkeit des Schwimmkörpers lässt sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung besonders gering halten, wenn der Propeller zu seinem Antrieb mit einem Elektromotor verbunden ist. Der Anlagenaufwand für die Manövrierfähigkeit des Schwimmkörpers lässt sich auf ein Minimum reduzieren, wenn der Elektromotor und der Generator ein einziges Bauteil sind.
Die Versorgung des Elektromotors mit elektrischem Strom könnte beispielsweise über eine von dem Generator gespeiste Pufferbatterie erfolgen. Eine solche Pufferbatterie erfordert jedoch einen sehr großen Bauraum, wenn sie für eine Fahrt in einen Hafen oder bei Windstille bemessen sein soll. Besonders große Pufferbatterien lassen sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vermeiden, wenn der Schwimmkörper eine Brennstoffzelle zur Erzeugung von elektrischer Energie aus chemisch gebundener Energie hat. Da Tanks für chemisch gebundene Energie ohnehin auf dem Schwimmkörper vorhanden sind, lässt sich im günstigsten Fall der Einsatz von separaten Tanks für die Brennstoffzelle vermeiden.
Die Erzeugung von chemisch gebundener Energie aus elektrischer Energie weist gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung einen besonders hohen Wirkungsgrad auf, wenn der Energieumwandler einen Elektrolyseur zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff hat. Ein weiterer Vorteil dieser Gestaltung besteht darin, dass hierdurch die Einrichtung zur Erzeugung von chemisch gebundener Energie mit Methan und Wasserstoff zwei unterschiedliche Gase hat, welche jeweils in auswechselbaren Tanks gespeichert und abtransportiert werden können. Damit kann aus wirtschaftlichen Gründen auch mit beiden Gasen gehandelt werden.
Der Anlagenaufwand zur Erzeugung des Methans lässt sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung besonders gering halten, wenn die Methanisierungsanlage eine Verbindung mit einem Wasserstofftank und einem CO2 Tank aufweist. Der CO2-Tank wird mit Abgasen der Brennstoffzelle gespeist und/oder ist vorzugsweise mit einem CO2-Erzeuger verbunden, welcher CO2 aus der Umgebung gewinnt.
Die Nutzung der Windenergie durch den Schwimmkörper gestaltet sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung besonders einfach, wenn der Vortriebserzeuger zumindest ein Segel oder einen Flettnerrotor hat. Grundsätzlich eignen sich nahezu alle bekannten Segel, um den Schwimmkörper anzutreiben, beispielsweise ein so genanntes Skysail, Dynarig- oder Rigid-Segel. Das Segel lässt sich für den vorgesehenen Einsatzzweck auswählen und vorzugsweise bei Hafeneinfahrten versenken oder wegklappen. Das Material des Segels kann ebenfalls beliebig gestaltet sein. Hierfür eignet sich beispielsweise Segeltuch oder Formteile aus Metall, Kunststoff oder dergleichen.
Der Aufwand zur Versorgung des Elektrolyseurs lässt sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung besonders gering halten, wenn der Energieumwandler eine Meerwasserentsalzungsanlage hat.
Elektrische Energie lässt sich gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung auch bei Windstille bereitstellen, wenn auf dem Deck des Schwimmkörpers eine Photovoltaikanlage zur Erzeugung von elektrischem Strom angeordnet ist.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
1 schematisch einen Schwimmkörper mit einer erfindungsgemäßen Einrichtung,
2 schematisch ein Schaubild einer Nutzung von Vortriebsenergie des Schwimmkörpers aus 1,
3 schematisch ein Schaubild zur Erzeugung von chemisch gebundener Energie aus elektrischer Energie,
4 einen Tanktainer zur Speicherung und zum Transport der chemisch gebundenen Energie,
5 schematisch ein Versorgungsschiff mit einer weiteren Ausführungsform eines Schwimmkörpers nach der Erfindung.
1 zeigt schematisch einen Schwimmkörper 1 mit der Form eines Schiffes. Der Schwimmkörper 1 weist mehrere, an einem Rumpf 2 befestigte Vortriebserzeuger 3–6 mit Segeln 7–9 und mit einem Flettnerrotor 10 auf. Die Segel 7–9 sind beispielsweise als so genanntes Skysail, als DynaRig oder als Rigid Segel ausgebildet. Das als Skysail ausgebildete Segel 7 ist an einem Seil 11 befestigt und kann in den Rumpf 2 gezogen werden. Masten 12, 13, 14 der anderen beiden Segeln 8, 9 und des Flettnerrotors 10 lassen sich drehen, versenken oder umklappen. Weiterhin hat der Schwimmkörper 1 einen Vortriebsempfänger 15 zur Umwandlung der Vortriebsenergie in Rotationsenergie mit einem Propeller 16.
Der Schwimmkörper 1 wird von Windkraft in eine mit einem Doppelpfeil gekennzeichnete Richtung angetrieben. Der Propeller 16 wandelt diese Vortriebsenergie in Rotationsenergie einer Welle 17 um, welche einem Generator 18 zugeführt wird. Der Generator 18 erzeugt elektrischen Strom, welcher in einem Energieumwandler 19 zur Erzeugung von chemisch gebundener Energie aus elektrischer Energie umgewandelt wird. Die chemisch gebundene Energie wird in Tanks 20 zwischengespeichert. Beispielhaft ist hier eine Vielzahl von einzelnen Tanks 20 dargestellt. Der Energieumwandler 19 hat eine Methanisierungsanlage 21 und einen Kompressor 22 zur Förderung des erzeugten Methans in die Tanks 20. Die Tanks 20 sind beispielsweise als so genannte Tanktainer ausgebildet und lassen sich einfach von dem Schwimmkörper 1 entnehmen. Zur Be- und Entladung der Tanks 20 hat der Schwimmkörper 1 einen schematisch dargestellten Kran 23, vorzugsweise einen elektrischen Teleskopkran. Über den Kran 23 lassen sich die als Tanktainer ausgebildeten Tanks 20 auf hoher See auf gewöhnliche, nicht dargestellte Containerschiffe umladen. Weiterhin ist auf dem Deck des Schiffes eine schematisch dargestellte Photovoltaikanlage 39 zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Sonnenlicht angeordnet. Die elektrische Energie des Generators 18 und der Photovoltaikanlage 39 kann in einer Pufferbatterie 40 zwischengespeichert werden.
2 zeigt schematisch ein Schaubild zur Nutzung der Vortriebsenergie des Schwimmkörpers 1 aus 1. Hierbei ist zu erkennen, dass die vom Generator 18 erzeugte elektrische Energie einer Steuereinrichtung 24 zugeführt wird. Von der Steuereinrichtung 24 wird die elektrische Energie einem in 3 dargestellten Elektrolyseur 25, der Methanisierungsanlage 21, einem CO2-Erzeuger 26, einer Meerwasserentsalzungsanlage 27 oder nicht dargestellten Pufferbatterien zugeführt wird. Weiterhin ist in 2 ein Elektromotor 28 dargestellt, der von einer Brennstoffzelle 29 mit elektrischem Strom versorgt wird. Über den Elektromotor 28 lässt sich die Welle 17 des Propellers 16 antreiben, um den Schwimmkörper 1 zu manövrieren. Selbstverständlich können Elektromotor 28 und Generator 18 auch als ein einziges Bauteil ausgebildet sein. Zur Verdeutlichung sind auf der Welle 17 des Propellers 16 die Drehrichtungen mit Pfeilen dargestellt. In der einen Drehrichtung wird dem Generator 18 Rotationsenergie aus dem Vortrieb des Schwimmkörpers 1 zugeführt, während in der anderen Drehrichtung Rotationsenergie von dem Elektromotor 28 dem Propeller 16 zugeführt wird.
3 zeigt ein Schaubild des Energieumwandlers 19 zur Erzeugung von chemisch gebundener Energie aus 1 aus der von dem Generator 18 erzeugten elektrischen Energie. Der Elektrolyseur 25 wird von einem Frischwassertank 30 mit Frischwasser versorgt. Das Frischwasser kann beispielsweise von der Meerwasserentsalzungsanlage 27 erzeugt werden oder es wird als Stoffwechselprodukt von der Methanisierungsanlage 21 aufgefangen und über eine Leitung 31 dem Frischwassertank 30 zugeführt. Der Elektrolyseur 25 erzeugt mittels elektrischen Stroms unter Druck Wasserstoff und Sauerstoff, welche in einem Wasserstofftank 32 und in einem Sauerstofftank 33 zwischengespeichert werden. Die Methanisierungsanlage 21 arbeitet vorzugsweise nach dem Sabatierprozess und ist mit einem CO2-Tank 34 und dem Wasserstofftank 32 verbunden. Der CO2-Tank 34 wird von dem CO2 Erzeuger 26 gespeist, welcher beispielsweise CO2 aus der Umgebungsluft oder aus Abgasen der Brennstoffzelle 29 gewinnt. In der Methanisierungsanlage 21 werden Methan und Wasser nach der chemischen Gleichung CO₂ + 4H₂ -> CH₄ + 2H₂O erzeugt. Das Wasser wird dem Frischwassertank 30 zugeführt, während das erzeugte Methan von dem Kompressor 22 in die Tanks 20 gefördert wird.
4 zeigt schematisch einen Tanktainer 35 des Schwimmkörpers 1 aus 1 mit einem Rahmen 36 in Containerform und dem darin befestigten Tank 20. An dem Tank 20 ist ein Entnahmestutzen 37 mit einem Absperrhahn 38 angeordnet. Der Tanktainer 35 lässt sich auf See oder beim Gütertransport über die Schiene und die Straße wie ein gewöhnlicher Container transportieren oder lagern.
5 zeigt schematisch Querschnitte durch eine weitere Ausführungsform eines Schwimmkörpers 51 und einem Versorgungsschiff 52. Das Versorgungsschiff 52 hat einen Kran 53 zur Entnahme von hier als Großtanks ausgebildeten Tanks 54 des Schwimmkörpers 51. Ansonsten ist der dargestellte Schwimmkörper 51 wie der aus 1 aufgebaut.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007019027 A1 [0003]
US 2010/0244450 A1 [0004]

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung von chemisch gebundener Energie aus Windenergie mit einem Schwimmkörper (1, 51), mit einem Vortriebserzeuger (3–6) zur Erzeugung eines Vortriebs des Schwimmkörpers (1, 51) mittels Windenergie, mit einem Vortriebsempfänger (15) zur Umwandlung der Vortriebsenergie in Rotationsenergie und einem Generator (18) zur Erzeugung von elektrischer Energie aus der Rotationsenergie, mit einem Energieumwandler (19) zur Erzeugung der chemisch gebundenen Energie aus der elektrischen Energie, und mit Tanks (20, 54) zur Speicherung der chemisch gebundenen Energie, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieumwandler (19) eine Methanisierungsanlage (21) und einer Kompressionsanlage zur Förderung des erzeugten Methans in den Tanks (20, 54) und zur Erzeugung eines vorgesehenen Drucks und/oder einer vorgesehenen Temperatur in den Tanks (20, 54) aufweist und dass die Tanks (20, 54) lösbar in dem Schwimmkörper (1, 51) angeordnet sind und zur Entnahme der chemisch gebundenen Energie auswechselbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tanks (20) in Tanktainern (35) mit Abmessungen von handelsüblichen Containern angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tanks (54) als Großtanks ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwimmkörper (1) zumindest einen Kran (23) zur Be- und Entladung der Tanks (20) hat.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Vortriebsempfänger (15) zumindest einen Propeller (16) hat, dass der Propeller (16) einen Antrieb hat und dass der Propeller (16) in seiner Wirkrichtung drehbar ist oder dass der Propeller (16) in ihrer Wirkrichtung verstellbare Schaufeln hat.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Propeller (16) zu seinem Antrieb mit einem Elektromotor (25) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwimmkörper (1, 51) eine Brennstoffzelle (29) zur Erzeugung von elektrischer Energie aus chemisch gebundener Energie hat.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieumwandler (19) einen Elektrolyseur (25) zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff hat.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Methanisierungsanlage (21) eine Verbindung mit einem Wasserstofftank (32) und einem CO2 Tank (34) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Vortriebserzeuger (3–6) zumindest ein Segel (7–9) oder einen Flettnerrotor (10) hat.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieumwandler (19) eine Meerwasserentsalzungsanlage (27) hat.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Dach des Schwimmkörpers (1, 51) eine Photovoltaikanlage zur Erzeugung von elektrischem Strom angeordnet ist.