DE102012025763B3 - Energy generation with energy storage system and compressor in the wind turbine tower - Google Patents
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Abstract
Eine Energieerzeugungsanlage (30) mit einer Energiewandlereinheit (31), die natürlicherweise vorhandene Energie direkt über einen Verdichter (34) im Windradturm zur Erzeugung von Druckgas (G) und einen Druckgasbehälter (35) zur Aufnahme und Speicherung des Druckgases umfasst, wobei eine Energiespeicheranlage (33) vorgesehen ist, die einen Drehmomenterzeuger (36) zur Umwandlung von Druck in mechanische Bewegungsenergie umfasst, und wobei dem Drehmomenterzeuger ein Stromgenerator (32) nachgeschaltet ist, der die Bewegungsenergie in elektrischen Strom umwandelt und dem Strom-Netz N zuführt, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Energiewandlereinheit und die Energiespeicheranlage gemeinsam im Inselbetrieb ohne Anschluss an das öffentliche Strom-Netz autark betrieben werden können, dass eine Schalteinrichtung (37) vorgesehen ist, mit der die Stromausgangsleitung (32') des Stromgenerators vom öffentlichen Strom-Netz getrennt werden kann. Befindet sich der Druckgasbehälter unter einer Wasseroberfläche W und sind im Druckgasbehälter Druckausgleichöffnungen (D) vorgesehen, lässt sich bei der Druckgasentnahme länger ein höherer Druck im Druckgasbehälter, abhängig von der Wasserspiegeldifferenz (W – W'), erhalten. Als Ergebnis kann ein Druckgasbehälter mit genügend großer Kapazität und Druckfestigkeit, sowie mit geologischer und geografischer Unabhängigkeit aufgeladen werden, ohne den genormten Strom aus dem öffentlichen Netz einzusetzen zu müssen.A power generation plant (30) with an energy converter unit (31), which naturally contains energy directly via a compressor (34) in the wind turbine tower for generating compressed gas (G) and a compressed gas tank (35) for receiving and storing the compressed gas, wherein an energy storage system ( 33) is provided, which comprises a torque generator (36) for converting pressure into mechanical kinetic energy, and wherein the torque generator, a power generator (32) is connected downstream, which converts the kinetic energy into electric power and the power grid N supplies, characterized in that the energy conversion unit and the energy storage installation can be operated independently in island operation without connection to the public power grid, that a switching device (37) is provided, with which the power output line (32 ') of the power generator can be separated from the public power grid , If the compressed gas container is located below a water surface W and pressure equalization openings (D) are provided in the compressed gas container, a higher pressure in the compressed gas container, depending on the water level difference (W-W '), can be obtained for a longer time during the removal of compressed gas. As a result, a pressurized gas container with sufficiently large capacity and pressure resistance, as well as with geological and geographical independence can be charged without having to use the standardized power from the public network.
Description
Die Erfindung betrifft eine Energieerzeugungsanlage mit mindestens einer Energiewandlereinheit, die natürlicherweise vorhandene Energie wie etwa Wind-, Sonnen-, Wärme-, oder Wasser-Energie direkt oder indirekt über mindestens einen Stromgenerator in elektrischen Strom umwandeln kann, welcher über eine Stromausgangsleitung des Stromgenerators einem öffentlichen Strom-Netz zugeführt wird, wobei eine Energiespeicheranlage vorgesehen ist, die einen Verdichter zur Erzeugung von Druckgas, einen Druckgasbehälter zur Aufnahme und Speicherung des erzeugten Druckgases und einen Drehmomenterzeuger zur Umwandlung von Druck des Druckgases in mechanische Bewegungsenergie umfasst, und wobei dem Drehmomenterzeuger ein Stromgenerator nachgeschaltet ist, der die mechanische Bewegungsenergie des Drehmomenterzeugers in elektrischen Strom umwandeln und dem öffentlichen Strom-Netz zuführen kann.The invention relates to a power generation plant with at least one energy converter unit, which can convert naturally occurring energy such as wind, solar, thermal or water energy directly or indirectly via at least one power generator into electrical power, which via a power output line of the power generator a public Power network is supplied, wherein an energy storage system is provided which comprises a compressor for generating compressed gas, a compressed gas container for receiving and storing the generated compressed gas and a torque generator for converting pressure of the compressed gas into mechanical kinetic energy, and wherein the torque generator downstream of a power generator is that can convert the mechanical kinetic energy of the torque generator into electricity and supply the public power grid.
Ähnliche Energieerzeugungsanlagen wurden auf dem Innovationstag Energie 2007/Cottbus „Speichertechnologien/Adiabates Druckluftspeicher-Kraftwerk” von einem Konsortium für Advanced_Adiabat-Compressed_Air_Energy_Storage AA-CAES vorgestellt.Similar energy generation plants were presented at the Innovation Day Energy 2007 / Cottbus "Storage Technologies / Adiabatic Compressed Air Power Station" by a consortium for Advanced_Adiabat-Compressed_Air_Energy_Storage AA-CAES.
Energiespeichertechniken sind sehr gefragt, weil eine direkte Stromspeicherung in größeren Mengen kaum realisierbar ist. Der Energieverbrauch verläuft aber immer kurvenreich mit vielen verteilten Maxima und Minima. Ausgeprägte Unterschiede sind im Vergleich von Tag- und Nachtbedarf vorhanden. Pumpkraftspeicherwerke sind hier bisher die Ausgleichstechnologie, die zwischen Verbrauch (Pumpenbetrieb) und Stromerzeugung (Generatorbetrieb) in kürzester Zeit umschalten können und damit Angebot und Nachfrage auf das gleiche Niveau bringen können. Genutzt wird hier die gespeicherte potentielle Energie einer Wassersäule im Triebwasserstollen, der mit einem Stausee verbunden ist. Diese Art von Energiespeicherung setzt geologische und geografische Gegebenheiten voraus, die z. B. in den Alpen bestens gegeben sind.Energy storage technologies are in great demand because direct electricity storage in larger quantities is hardly feasible. However, the energy consumption is always winding with many distributed maxima and minima. Distinct differences exist in the comparison of day and night needs. Pumping force storage units are so far the compensation technology that can switch between consumption (pump operation) and power generation (generator operation) in no time and thus can bring supply and demand to the same level. Used here is the stored potential energy of a water column in the water tunnel, which is connected to a reservoir. This type of energy storage requires geological and geographical conditions that z. B. are best given in the Alps.
Mit dem technischen Fortschritt der Windräder oder auch der Solartechnik entsteht die elektrische Energie jedoch zeitlich willkürlich und örtlich durchaus im Flachland oder im offshore Windpark. Natürlich nutzbare Energiespeicher sind hier kaum vorhanden und für die Weiterleitung der elektrischen Energie benötigt man ein Überlandleitungsnetz mit großer Transportkapazität, das auch Spitzenlasten weit verteilen kann. Es sind aber gerade die kleineren und örtlich verteilten Energieerzeugungsanlagen, welche die geforderten Spitzenlasten örtlich begrenzt abdecken könnten, falls sie zum richtigen Zeitpunkt gespeicherte Energie als Strom ins öffentliche Netz einspeisen könnten.However, with the technical progress of wind turbines or even solar technology, the electrical energy is generated arbitrarily in time and locally in the lowlands or in the offshore wind farm. Of course, usable energy storage are hardly available here and for the transmission of electrical energy you need a transmission line network with large transport capacity, which can also distribute peak loads. But it is precisely the smaller and locally distributed power generation plants that could cover the required peak loads locally, if they could feed stored energy at the right time as electricity into the public grid.
Der oben zitierte Vortrag skizziert die Arbeitsweise eines CAES in Huntdorf (hier abgekürzt: CAES_HT) realisierten Druckluftspeicherkraftwerkes. Als Druckgasbehälter werden großvolumige Kavernen genutzt, wobei sich dieser Druck im Betrieb zwischen 50 und 70 bar bewegt. Der Druck wird mittels eines Kompressors aufgebaut, der durch eine Motor/Generator Einheit (Motorbetrieb) angetrieben wird. Zur Stromerzeugung (Generatorbetrieb) wird diese Einheit mit dem erzeugten Drehmoment einer Gasturbine gekoppelt, die zusätzlich zur genutzten Druckluft mit Erdgas betrieben wird. Es wird deshalb für die Gesamtanalage nur ein Wirkungsgrad von 42% genannt.The lecture cited above outlines the operation of a CAES in Huntdorf (here abbreviated: CAES_HT) realized compressed air storage power plant. As a pressurized gas container large-volume caverns are used, with this pressure moves in operation between 50 and 70 bar. The pressure is built up by means of a compressor which is driven by a motor / generator unit (engine operation). For power generation (generator operation) this unit is coupled with the generated torque of a gas turbine, which is operated in addition to the compressed air used with natural gas. It is therefore called for the total analysis only an efficiency of 42%.
Eine weitere zitierte A-CAES Anlage, Mcintosh, (hier abgekürzt: CAES_MC) nutzt die bei der Verbrennung des fossilen Gases in einer Turbine entstehende Abwärme durch einen Rekuperator (Vorwärmen der Druckluft) und erhöht damit den Wirkungsgrad auf immerhin 54%.Another cited A-CAES plant, Mcintosh, (abbreviated here: CAES_MC) uses the heat generated by the combustion of fossil gas in a turbine through a recuperator (preheating of the compressed air) and thus increases the efficiency to 54%.
Ein weiteres zitiertes, von der EU gefördertes AA-CAES Projekt in Form einer Studie (hier abgekürzt: CAES_EU), kommt ohne fossile Gase aus und erhöht den Wirkungsgrad auf 70%.Another quoted AA-CAES project funded by the EU (abbreviated to CAES_EU) uses no fossil gases and increases efficiency to 70%.
CAES_HT hat eine geologische und geografische Abhängigkeit von sehr großvolumigen Kavernen, deren Betriebsdruck mit 50 bis 70 bar relativ niedrig ist und damit den zusätzlichen Bedarf an fossilem Gas erforderlich macht. Damit ist eine Gasturbine als Drehmomenterzeuger notwendig. Ebenso ist es nachteilig, dass die Motor/Generator-Einheit vom genormten öffentlichen Netz (z. B. feste Spannungen und eine feste Einspeisungsfrequenz von 50 Hz) abhängig ist. Ebenso könnten örtlich verteilte Energieerzeuger nur über das öffentliche Netz den Druckgasbehälter nutzen. Letztendlich ist zu dieser Variante zu bemerken, dass die Abwärme durch die Verbrennung von fossilem Gas und die Komprimierung der Umgebungsluft nicht zur Druckerhöhung im Druckgasbehälter genutzt wird.CAES_HT has a geological and geographic dependence on very large caverns with relatively low operating pressure of 50 to 70 bar, which requires additional fossil gas demand. This requires a gas turbine as a torque generator. It is also disadvantageous that the motor / generator unit is dependent on the standardized public grid (eg fixed voltages and a fixed feed frequency of 50 Hz). Likewise, distributed energy producers could only use the compressed gas tank via the public network. Finally, it should be noted to this variant that the waste heat is not used by the combustion of fossil gas and the compression of the ambient air to increase the pressure in the compressed gas tank.
CAES_MC hat ebenfalls alle aufgezählten Eigenschaften des CAES_HT, bis auf die Nutzung der Abwärme, zum Beispiel durch einen Rekuperator, die in den Gasturbinen entsteht.CAES_MC also has all the enumerated features of the CAES_HT, except for the use of waste heat, for example, by a recuperator, which arises in the gas turbines.
CAES_EU arbeitet mit einer speziellen Expansionsturbine, die ohne zusätzliches fossiles Gas auskommt. Ansonsten sind auch hier die genannten Nachteile beständig.CAES_EU works with a special expansion turbine that does not require additional fossil gas. Otherwise, the mentioned disadvantages are also stable here.
In der Patentliteratur sind über Offenlegungsschrift
In dieser Hinsicht unterscheiden sich die drei Anlagen in der Art und Herstellung des zugeführten Brenngases für eine typische Gasturbine in den Varianten systemfremdes reaktives Gas; durch Elektrolyse entstandenes H2 und O2; endotherme Reaktion CH4 + H2O → CO + 3H2.In this regard, the three systems differ in the type and production of the supplied fuel gas for a typical gas turbine in the variants non-system reactive gas; produced by electrolysis H 2 and O 2 ; endothermic reaction CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 .
In dem zweiten Vorschlag wird das fremdeingespeiste Brenngas ersetzt durch das im System elektrolytisch gewonnene H2 das in den Druckluftkreislauf eingeleitet wird und zwar in die zweite Niederdruckkaverne. Das gleichzeitig entstehende O2 wird in einem kleinen Sonderbehälter gespeichert und dann bei Bedarf in die Brennkammer geleitet um dort die Verbrennung zu unterstützen. Es sind also drei getrennte Speicher im Einsatz. In den beiden Kavernen befindet sich ein mit H2 geimpftes Druckgas und wird wie im ersten Vorschlag in die erste Hochdruckkaverne verdichtet.In the second proposal, the foreign total supplied fuel gas is replaced which is introduced into the air circulation through the electrowon in the system H 2 and that in the second Niederdruckkaverne. The resulting O 2 is stored in a small special container and then fed into the combustion chamber as needed to assist combustion. So there are three separate memory in use. In the two caverns is a vaccinated with H 2 compressed gas and is compressed as in the first proposal in the first high-pressure cavern.
Im dritten Vorschlag werden die Kavernen jeweils mit unterschiedlichen Gasen gefüllt und diese haben jeweils einen eigenen Massenkreislauf im System. In der Niederdruckkaverne befindet sich CH4, geliefert durch den Turbinenausgang und in der Hochdruckkaverne die durch endotherme Reaktion entstandene Gasmischung, bestehend aus Druckluft, CO und H2, die vom Kompressor verdichtet wird. Bei der exothermen Reaktion CO + 3H2 → CH4 + H2O werden die energietragenden Komponenten der Hochdruckkaverne entnommen und das energiearme CH4 der Niederdruckkaverne ohne Verdichtung zugeführt.In the third proposal, the caverns are each filled with different gases and these each have their own mass circulation in the system. In the low-pressure cavern CH 4 , supplied by the turbine outlet and in the high-pressure cavern, the gas mixture formed by endothermic reaction, consisting of compressed air, CO and H 2 , which is compressed by the compressor. In the exothermic reaction CO + 3H 2 → CH 4 + H 2 O, the energy-carrying components of the high-pressure cavern are removed and the low-energy CH 4 of the low-pressure cavern is supplied without compression.
Charakteristisch für alle drei Varianten sind, die geografische Abhängigkeit von vorhandenen Kavernen und deren einschränkende Arbeitsdruckbegrenzung.Characteristic of all three variants are the geographical dependence on existing caverns and their limiting working pressure limitation.
Eine weitere Offenlegungsschrift
Auch hier ist eine örtliche Gebundenheit an Wasseransammlungen mit erheblicher Tiefe, (10 bar = 112 m Wassersäule) gegeben und der sich daraus ergebende geringe und begrenzte Arbeitsdruck. Die weitere Konsequenz daraus ist, dass das Speichervolumen stark vergrößert werden muss um nennenswerte Energien zu speichern. Zum Beispiel ergeben sich 178 Druckluftbehälter mit den Abmessungen 8 m × 8 m × 8 m = 512 m3 für eine Speicherung von 1 MWh für 24 h in einer Wassertiefe von 112 m. Windräder können aber durchaus mehr Energie liefern und ein größerer Windpark dürfte den Bedarf an Druckgasbehältern n-fach steigern. Auch die durch die umfangreichen Volumina entstehenden Auftriebskräfte dürften für die Verankerung am Meeresboden bedeutend sein.Again, there is a local attachment to water retention with considerable depth (10 bar = 112 m water column) and the resulting low and limited working pressure. The further consequence of this is that the storage volume must be greatly increased in order to store significant energies. For example, there are 178 compressed air tanks of dimensions 8 m × 8 m × 8 m = 512 m 3 for storage of 1 MWh for 24 h at a depth of 112 m. However, wind turbines can deliver more energy and a larger wind farm should increase the need for pressurized gas containers n times. Also, the buoyancy forces created by the voluminous volumes are likely to be significant for anchoring to the seabed.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, eine Energieerzeugungsanlage der eingangs beschriebenen Art mit möglichst einfachen technischen Mitteln so zu modifizieren, dass ein Druckgasbehälter mit genügend großer Kapazität und Druckfestigkeit, sowie mit geologischer und geografischer Unabhängigkeit aufgeladen werden kann, ohne den genormten Strom aus dem öffentlichen Netz einzusetzen zu müssen.Object of the present invention is in contrast to modify a power generation plant of the type described above with the simplest technical means so that a compressed gas tank can be charged with sufficient capacity and pressure resistance, as well as geological and geographic independence, without the standard power from the public To use network.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by the subject matter of
Eine andere Wirkungsweise der Erfindung kann man zunächst erkennen, wenn sich eine Energieerzeugungsanlage im Betriebszustand der Energiespeicherung befindet. Hier hat sich die Energieerzeugungsanlage über die Schalteinrichtung vom öffentlichen Netz abgetrennt und wandelt nun die anstehende Energieform in den Druck eines Gases um, welches sich in einem Druckgasbehälter befindet.Another mode of operation of the invention can initially be recognized when a power generation plant is in the operating state of energy storage. Here, the power generation plant has separated via the switching device from the public grid and now converts the pending form of energy in the pressure of a gas, which is located in a compressed gas tank.
Auf diese Weise können im Inselbetrieb die natürlichen, aber willkürlich entstehenden Energieformen – einschließlich der elektrischen Energie, die nicht der Norm des öffentlichen Netzes entspricht – direkt und ohne Umweg über das genormte öffentliche Stromnetz in Druckenergie umgeformt und im Druckgasspeicher gespeichert werden. Beispiele sind:
- a) Wind → Drehmoment
→ Druck, - b) Sonne → Gleichstrom → Druck,
- c) Sonne
→ Wärme→ Druck, - d) Anlagenabwärme → Druck.
- a) Wind → torque
→ Print, - b) sun → DC → pressure,
- c) sun
→ warmth→ Print, - d) Waste heat → pressure.
Beispiel für a): In
Beispiel für b): Im einfachsten Fall könnte man einen Gleichstrommotor benutzen um den Verdichter zu betreiben.Example of b): In the simplest case one could use a DC motor to operate the compressor.
Es ist aber auch denkbar und für gewisse Fälle geradezu vorteilhaft, Wenn der entstehende Gleichstrom zur Elektrolyse von reinem Wasser verwendet wird. Die entstehenden Gase, Wasserstoff und Sauerstoff können in unterschiedlichen Behältern
Beispiel für c): Die vorhandene Wärme durch Sonneneinstrahlung kann mittels Kollektoren und Fluiden in einen adiabaten Wärmespeicher transportiert werden, wobei wiederum bei Bedarf die Wärme zur Erhöhung des Druckes in den Triebdruckbehälter gepumpt werden kann.Example of c): The existing heat from solar radiation can be transported by means of collectors and fluids in an adiabatic heat storage, in turn, if necessary, the heat can be pumped to increase the pressure in the drive pressure vessel.
Beispiel für d): In ähnlicher Weise kann man die Prozessabwärme, die in den vorgeschlagenen Varianten in erster Linie bei der Verdichtung von Gasen auftritt, in einen nahezu adiabaten Wärmespeicher leiten, der durchaus ein Segment des Behälters
Diese Beispiele zeigen, dass es sehr sinnvoll ist, das öffentliche Stromnetz auszublenden und die örtlich anfallende Energie direkt mit möglichst wenig Verlust zu speichern. Auch die Einrichtung eines Energieparks mit unterschiedlichen Energiequellen und einem zentralen Druckgasbehälter wie in
Natürlich kann es sein, dass der Einsatz von gewissen Hilfsaggregaten, wie Steuerungen, Regeleinrichtung oder eine zusätzliche Hochverdichtung eine Versorgung mit genormten Parametern der elektrischen Energie in geringem Maße notwendig macht.Of course, it may be that the use of certain auxiliary equipment, such as controls, control device or additional high compression makes a supply of standardized parameters of electrical energy to a small extent necessary.
Von überaus wichtiger Bedeutung ist dabei die Ausgestaltung des zughörigen Druckgasbehälters. Ein solcher Behälter würde in bevorzugter Form mehrere Kammern aufweisen, die schalenförmig angeordnet sind und, wie in
Das Mehrkammersystem der Druckgasspeicheranlage kann aber auch vorteilhaft dazu verwendet werden, außer Druckluft weitere andere Gase zu speichern, so beispielsweise die bei der Elektrolyse entstehenden Produkte Wasser- und Sauerstoff. Bei Bedarf können diese dann direkt in die innere Triebdruckkammer eingespritzt und zur Reaktion gebracht werden, wobei die entstehende Enthalpie den Druck direkt in der Triebdruckkammer erhöhen kann, und ein geringer Energieverlust auftritt. Wenn Druckregelungen für die Triebdruckkammer eingesetzt werden, kann man sogar die Dosis der Einspritzung als Stellgröße verwenden.However, the multi-chamber system of the compressed gas storage system can also be used advantageously to store other compressed air other gases, such as the products resulting from the electrolysis products water and oxygen. If necessary, these can then be injected directly into the inner drive pressure chamber and reacted, the resulting enthalpy can increase the pressure directly in the drive pressure chamber, and a low energy loss occurs. If pressure controls are used for the drive pressure chamber, one can even use the dose of the injection as a manipulated variable.
Die andere Wirkungsweise der Erfindung erkennt man aber auch dann, wenn sich eine Energieerzeugungsanlage im Betriebszustand der Stromerzeugung befindet, wobei ein Generator über die Schalteinheit zur Einspeisung an das öffentliche Stromnetz gekoppelt ist. Dabei wird Druckgas aus dem Druckgasbehälter auf einen Drehmomentwandler geleitet. Beispiele sind Pneumatik- oder Hydraulikmotoren, Zylinderdruckkolbenmotoren oder auch Druckentspannungsturbinen.However, the other mode of operation of the invention can also be recognized when a power generation plant is in the operating state of power generation, wherein a generator is coupled via the switching unit for feeding to the public power grid. In this case, compressed gas is passed from the pressurized gas container to a torque converter. Examples are pneumatic or hydraulic motors, cylinder-piston engines or pressure-reducing turbines.
Wenn man insbesondere von der konventionellen Bauweise einer Windkraftanlage nach heutigem Stand ausgeht, würden zwei Generatoren verwendet werden. Man würde also im Turmfuß oder in einem Nebengebäude Platz für einen Verdichter und die Einheit: Drehmomentwandler/zweiter Generator schaffen. Bei der Umschaltung auf Speicherbetrieb würde der Verdichter den Druck im Druckgasbehälter erhöhen.In particular, starting from the conventional construction of a wind turbine according to the current state, two generators would be used. So you would create space in the tower base or in an outbuilding for a compressor and the unit: torque converter / second generator. When switching to storage mode, the compressor would increase the pressure in the compressed gas tank.
Der Verdichter benötigt dafür einen elektrischen Antrieb und unter Umständen auch spezielle Leistungselektronik zum Beispiel einen Frequenzumrichter, die in der Lage ist den von der Norm abweichenden Strom des Windrades zu nutzen. Insofern ist die Abkopplung vom öffentlichen Stromnetz notwendig, das heißt, die Energieerzeugungsanlage kann damit autark im Inselbetrieb arbeiten. Man hat nun aber den erheblichen Vorteil, dass man die Windkraftanlage auf höchst mögliche Drehmomenterzeugung einstellen kann, ohne auf die 50 Hz-Norm achten zu müssen.The compressor requires an electric drive and possibly also special power electronics, for example, a frequency converter that is able to use the deviating from the norm current of the wind turbine. In this respect, the decoupling of the public power grid is necessary, that is, the power generation plant can thus work independently in island operation. But now you have the considerable advantage that the wind turbine on the highest possible Torque can set without having to pay attention to the 50 Hz standard.
Ein zusätzliches Ziel der Erfindung ist es jedoch, vorteilhafterweise lediglich einen einzigen Generator vorzusehen. Dabei wird der technische Aufwand wie zum Beispiel Bauraum, Wartung und Kosten erheblich reduziert. Beim Bau neuer Anlagen wird man daher diese Option bevorzugen.However, an additional object of the invention is to advantageously provide only a single generator. The technical effort, such as space, maintenance and costs is significantly reduced. When constructing new plants, you will therefore prefer this option.
Eine andere Variante sieht vor, dass mehrere gleichartige oder unterschiedliche Energiewandlereinheiten, die zum Beispiel gemäß a) bis d) vorgesehen sind und die jeweils an eine zentrale Energiespeicheranlage angeschlossen sind. Beispielsweise ist es möglich, die von Windrädern und Sonnenkollektoren an verschiedenen – natürlich nicht zu weit voneinander entfernten – Standorten erzeugte Energie bei einer gemeinsamen Energiespeicheranlage zusammenzuführen und dort zwischenzuspeichern, bis eine Einspeisung in das öffentliche Stromnetz opportun erscheint. Damit kann ein Energiepark in günstiger Weise aufgebaut und betrieben werden. Es ist in dieser Form auch möglich, vorhandene Energieerzeugungsanlagen um die Speicherkomponente zu ergänzen.Another variant provides that several identical or different energy converter units, which are provided, for example, according to a) to d) and which are each connected to a central energy storage system. For example, it is possible to combine the energy generated by wind turbines and solar collectors at different locations, which of course are not too far apart from each other, in a common energy storage system and store them there until it seems opportune to feed into the public power grid. Thus, an energy park can be set up and operated in a favorable manner. It is also possible in this form to supplement existing energy production systems by the storage component.
Bei einer alternativen Klasse von Varianten ist vorgesehen, dass die Energiewandlereinheit eine Windkraftanlage umfasst, dass die Energiespeicheranlage räumlich unmittelbar angrenzend an die Energiewandlereinheit angeordnet ist und dass die Energiewandlereinheit und die Energiespeicheranlage eine konstruktive Einheit mit gemeinsamer baulicher Plattform bilden. Diese kompakte Anordnung hat vielerlei Vorteile: Hier kann auch in konstruktiver Einheit der Windradturm integriert werden.In an alternative class of variants, it is provided that the energy converter unit comprises a wind turbine, that the energy storage system is arranged spatially immediately adjacent to the energy converter unit and that the energy converter unit and the energy storage system form a structural unit with a common structural platform. This compact arrangement has many advantages: Here, the wind turbine tower can also be integrated in a constructive unit.
Vorteilhaft ist dass der Stromgenerator zusammen mit dem Drehmomenterzeuger im Turmkopf der Windkraftanlage und der Verdichter im Turmfuß angeordnet sind.It is advantageous that the power generator are arranged together with the torque generator in the tower head of the wind turbine and the compressor in the tower base.
In dieser Anordnung kann der Windflügel als Drehmomentwandler, je nach Bedarf ein- und ausgekuppelt werden. Es ist aber ebenso denkbar – und ein sehr großer Vorteil dieser Variante –, wenn bei geringem Wind beide Einheiten gemeinsam den Generator drehen. Auch vorteilhaft ist es, wenn die Schalteinheit intelligent ausgestaltet wird zum Beispiel mit einer Drehzahlregelung für 50 Hz Energie, wobei die Regeldifferenz entweder auf das Stellglied Drehmomenterzeuger, bei zu niedriger Drehzahl ein positives Drehmoment übergeben wird, oder auf das Stellglied Verdichter ein negatives Drehmoment bei zu hoher Drehzahl geschaltet wird und dabei gezielt Energie entnimmt um den Druck im Druckgasbehälter zu erhöhen.In this arrangement, the wind vane can be engaged and disengaged as a torque converter as needed. But it is also conceivable - and a very great advantage of this variant - when both units together turn the generator at low wind. It is also advantageous if the switching unit is designed intelligently, for example, with a speed control for 50 Hz energy, the control difference either on the actuator torque, at too low speed a positive torque is passed, or on the actuator compressor a negative torque at high speed is switched and selectively removes energy to increase the pressure in the compressed gas tank.
Die erfindungsgemäße Anordnung offenbart eine Energieerzeugungsanlage mit mindestens einer Energiewandlereinheit, die natürlicherweise vorhandene Energie – wie etwa Wind-, Sonnen-, Wärme-, oder Wasser-Energie – direkt oder indirekt über mindestens einen Stromgenerator in elektrischen Strom umwandeln kann, welcher über eine Stromausgangsleitung des Stromgenerators einem öffentlichen Strom-Netz zugeführt wird, wobei eine Energiespeicheranlage vorgesehen ist, die einen Verdichter zur Erzeugung von Druckgas, einen Druckgasbehälter zur Aufnahme und Speicherung des erzeugten Druckgases und einen Drehmomenterzeuger zur Umwandlung von Druck des Druckgases in mechanische Bewegungsenergie umfasst, und wobei dem Drehmomenterzeuger ein Stromgenerator nachgeschaltet ist, der die mechanische Bewegungsenergie des Drehmomenterzeugers in elektrischen Strom umwandeln und dem öffentlichen Strom-Netz zuführen kann, dadurch gekennzeichnet,
dass im Druckgasbehälter Druckkammern so angeordnet sind, dass in Richtung Umgebung a → b → c der Druck in Stufen abnimmt,
dass die Energiewandlereinheit und die Energiespeicheranlage so ausgestaltet sind, dass sie gemeinsam im Inselbetrieb ohne Anschluss an das öffentliche Strom-Netz autark, durch elektrische Energie, die nicht der Norm des öffentlichen Netzes entspricht, betrieben werden können,
dass eine Schalteinrichtung vorgesehen ist, mittels derer die Stromausgangsleitung des Stromgenerators vom öffentlichen Strom-Netz getrennt werden kann,
und dass der Verdichter direkt mit Energie aus der Energiewandlereinheit beschickt werden kann, wobei lediglich ein einziger Stromgenerator vorgesehen ist, wobei die Energiespeicheranlage räumlich unmittelbar angrenzend an die Energiewandlereinheit angeordnet ist, und dass die Energiewandlereinheit und die Energiespeicheranlage eine konstruktive Einheit mit gemeinsamer baulicher Plattform bilden und wobei der Verdichter oder ein Vorverdichter im Turmkopf der Windkraftanlage und der Stromgenerator zusammen mit dem Drehmomenterzeuger im Turmfuß angeordnet sind.The arrangement according to the invention discloses a power generation plant with at least one energy conversion unit that can naturally convert existing energy - such as wind, solar, thermal or water energy - directly or indirectly via at least one power generator into electrical power, which via a power output line of the Power generator is supplied to a public power grid, wherein an energy storage system is provided which comprises a compressor for generating compressed gas, a compressed gas container for receiving and storing the generated compressed gas and a torque generator for converting pressure of the compressed gas into mechanical kinetic energy, and wherein the torque generator a power generator is connected downstream, which can convert the mechanical kinetic energy of the torque generator into electricity and supply it to the public power grid, characterized in that
pressure chambers are arranged in the pressure gas container so that the pressure decreases in stages in the direction of the environment a → b → c,
that the energy converter unit and the energy storage system are designed so that they can operate independently in isolated mode without connection to the public power grid, by electrical energy that does not meet the standard of the public network,
a switching device is provided by means of which the current output line of the current generator can be disconnected from the public power grid,
and that the compressor can be charged directly with energy from the energy converter unit, wherein only a single power generator is provided, the energy storage system is located immediately adjacent to the energy converter unit, and that the energy converter unit and the energy storage system form a structural unit with a common structural platform and wherein the compressor or a supercharger in the tower head of the wind turbine and the power generator are arranged together with the torque generator in the tower base.
Ein besonderer Vorteil dieser erfindungsgemäßen Anordnung ist, dass die Drehzahl des Windflügels beliebig sein kann und kein technischer Aufwand betrieben werden muss um eine 50 Hz Energie sicherzustellen. Diese Aufgabe kann erfindungsgemäß die Kombination Drehmomentwandler/Generator im Turmfuß lösen, wobei bekannte und übliche Stelleinrichtungen, wie Leitschaufelstellung oder Stellventile und entsprechende Leistungselektronik eingesetzt werden können.A particular advantage of this arrangement according to the invention is that the speed of the wind vane can be arbitrary and no technical effort has to be made to ensure a 50 Hz energy. This object can solve according to the invention the combination torque converter / generator in the base of the tower, with known and common control devices, such as vane position or control valves and corresponding power electronics can be used.
Eine Weiterbildung dieser Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeicheranlage durch eine weitere andere Energiewandlereinheit mit zu speichernder elektrischer Energie versorgt werden kann, indem sie sich mit in den Inselbetrieb schaltet.A development of this arrangement is characterized in that the energy storage system by another another Energy converter unit can be supplied with stored electrical energy by switching with the island mode.
Eine allgemeinere Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, dass mehrere gleichartige oder unterschiedliche Energiewandlereinheiten vorgesehen sind, die jeweils an eine zentrale Energiespeicheranlage angeschlossen sind.A more general development is characterized in that a plurality of identical or different energy converter units are provided which are each connected to a central energy storage system.
Eine andere Weiterbildung von Energiespeicheranlagen zeichnen sich dadurch aus, dass der Druckgasbehälter in einem See oder im Meer teilweise unter dem Wasserspiegel angeordnet ist und in seinem unter Wasser liegenden Bereich Druckausgleichsöffnungen zum Ein- oder Ausströmen von Wasser aufweist, wobei in den Druckausgleichsöffnungen Wasserturbinen angeordnet sind, die durch in den Druckgasbehälter eindringendes oder aus diesem austretendes Wasser angetrieben werden können. Hiermit kann also ähnlich, wie bei Gezeiten-Kraftwerken zusätzlich Strom erzeugt werden.Another development of energy storage systems are characterized by the fact that the pressurized gas container is located in a lake or in the sea partially below the water level and in its submerged area has pressure equalization openings for inflow or outflow of water, wherein in the pressure equalization openings water turbines are arranged, which can be driven by penetrating into the pressurized gas container or exiting from this water. This can be similar to how tidal power plants additionally generate electricity.
Diese Variante kann so für den Druckgasbehälter viel Volumen bereitstellen. Die bauliche Form kann dabei optimal für die auftretenden, geringeren Differenzdrücke ausgelegt werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass im Energieerzeugungszustand durch die Ausgleichsöffnungen Wasser eindringt und damit das Volumen verkleinert wird, wodurch im Triebbehälter länger höherer Druck aufrecht erhalten werden kann.This variant can thus provide a lot of volume for the compressed gas container. The structural form can be optimally designed for the occurring, lower differential pressures. A further advantage is that in the power generation state water penetrates through the equalization openings and thus the volume is reduced, whereby longer higher pressure can be maintained in the drive container.
Eine andere Weiterbildung einer Energieerzeugungsanlage ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrolysevorrichtung zur Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff vorgesehen ist, die mit Strom aus der Energiewandlereinheit betrieben wird, dass der Druckgasbehälter mindestens drei Speicherkammern aufweist, von denen die erste mit Wasserstoff und die zweite mit Sauerstoff aus der Elektrolysevorrichtung, die dritte über den Verdichter mit Druckluft aufgeladen werden kann, und dass zusätzlicher Druck in der dritten Speicherkammer durch Temperaturerhöhung aufgrund einer thermischen Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff aus den beiden anderen Speicherkammern erzeugt werden kann. Bei dosierter und geregelter Einspritzdauer kann auf diese Weise der Druck im Druckgasbehälter lange Zeit konstant gehalten werden, was eine Einhaltung der 50 Hz Norm leichter macht.Another development of a power generation plant is characterized in that an electrolysis device for splitting water into hydrogen and oxygen is provided, which is operated with power from the energy converter unit, that the compressed gas container has at least three storage chambers, of which the first with hydrogen and the second with Oxygen from the electrolysis device, the third can be charged via the compressor with compressed air, and that additional pressure in the third storage chamber can be generated by increasing the temperature due to a thermal reaction of hydrogen and oxygen from the other two storage chambers. With metered and regulated injection duration can be kept constant in this way, the pressure in the gas cylinder for a long time, which makes compliance with the 50 Hz standard easier.
Auf diese Weise können mit den beschriebenen Varianten viele kleinere dezentrale Energieerzeugungsanlagen mit Speicherfähigkeit entstehen, die zwar jeweils örtlich begrenzt, sich aber ideal an den variablen Strombedarf, wie zum Beispiel den einer Kleinstadt, anpassen können.In this way, with the variants described, many smaller decentralized power generation plants with storage capacity can arise, which, although locally limited, but can ideally be adapted to the variable power requirements, such as a small town.
In größeren Energieparks zum Beispiel Offshore-Anlagen kann es sein, dass die erzeugte Energie weit über den Bedarf der näheren Umgebung hinausgeht. Auch hier liegt ein großer Vorteil auf der Hand, weil die weit wegführenden Stromtrassen, gezielt durch jeden einzelnen Energiespeicher zeitlich versetzt in Anspruch genommen werden können und damit eine Überdimensionierung dieser Trassen nicht nötig ist.In larger energy parks, for example offshore installations, it may be the case that the energy generated goes far beyond the requirements of the immediate vicinity. Again, there is a great advantage obvious, because the far away leading power lines, targeted by each energy store can be taken offset in time and thus oversizing of these routes is not necessary.
Die Vorteile der beschriebenen Energiespeicheranlage könnten auch genutzt werden um etwa für ein zeitlich träges Kraftwerk Energie zwischenzuspeichern, um bei einer beabsichtigten Leistungsreduktion keine Energieverluste hinnehmen zu müssen, wenn der Strom nicht verkauft werden kann.The advantages of the energy storage system described could also be used to temporarily store energy, for example, for a time-sluggish power plant, in order to not have to accept energy losses in the case of an intended power reduction if the electricity can not be sold.
Eine andere Kombination könnte für ein fossiles betriebenes Kraftwerk erhebliche Vorteile bringen, wenn dieses zur Stromerzeugung schwer entflammbare Brennstoffe verwendet, wie beispielsweise Ölschiefer, Ölsand oder auch Abfälle. Der durch andere Energiequellen erzeugte und im Druckgasbehälter gespeicherte Wasserstoff und Sauerstoff könnte hier verwendet werden um den Verbrennungsprozess zu starten, oder aber auch in den Brennkammern die Verbrennung durch örtlich gezielte Einspritzung zu homogenisieren.Another combination could provide significant benefits to a fossil-fueled power plant if it uses low-flammability fuels such as oil shale, oil sands, or waste. The hydrogen and oxygen produced by other energy sources and stored in the compressed gas tank could be used here to start the combustion process, or else to homogenize the combustion in the combustion chambers by locally targeted injection.
Es zeigen:Show it:
In dieser Variante ist es möglich, dass a) der Generator ohne Speicherung in das Netz liefert, b) nur gespeichert wird, ohne ins Netz zu liefern und c) es wird gespeichert und der Generator
Die Komponenten im Turmkopf sind: Energiewandler
Im Speicherbetrieb wird die Stromausgangsleitung
Im Stromerzeugungsbetrieb wird das gespeicherte unter Druck stehende Gas G in einem Drehmomenterzeuger
Vorteilhaft in dieser Art von Energieerzeugungsanlage
Diese Kombination bekommt große Bedeutung, wenn die Schalteinheit
Der Speicherbetrieb wird hier einzig durch die Windenergie aufrecht erhalten. Der Druckgasbehälter
Im Stromerzeugungsbetrieb wird das gespeicherte, unter Druck stehende Gas G in einem Drehmomenterzeuger
Vorteilhaft ist hier der geringe technische Aufwand und Raumbedarf im Turmkopf, da außerdem noch der motorische Verdichterantrieb wegfällt. Dadurch lassen sich erhebliche Kosten einsparen. Durch die Energiespeicherung kann eine intelligente Schalteinheit
Der Speicherbetrieb ist hier durch die einzelnen Energiewandler bestimmt. Der Druckgasbehälter
Im Stromerzeugungsbetrieb wird das gespeicherte, unter Druck stehende Gas G in einem Drehmomenterzeuger
Vorteilhaft ist hier, dass mehrere Energiewandler einen gemeinsamen Druckgasbehälter nutzen können. Technischer Aufwand und Raumbedarf sind dadurch geringer und lassen erhebliche Kosten einsparen. Durch die Energiespeicherung kann eine intelligente Schalteinheit
Die Druckkammern
Falls die Elektrolyse zu Speicherzwecken vorgesehen ist, können z. B. zwei Kammern für Wasser- und Sauerstoff reserviert sein, wobei diese Gase hier durchaus auch verdichtet gespeichert werden können.If the electrolysis is provided for storage purposes, z. B. be reserved for water and oxygen two chambers, these gases can be stored here also compacted.
Letztendlich kann eine Kammer auch adiabat ausgelegt sein und beispielsweise als Wärmekapazität mit Wasser gefüllt sein, die zur Speicherung von Abwärme genutzt wird, um später mittels einer Wärmepumpe über eine Temperaturerhöhung im Triebdruckspeicher höheren Druck erzeugen zu können.Finally, a chamber may also be designed adiabatically and be filled, for example, as heat capacity with water, which is used to store waste heat, in order later to be able to generate higher pressure by means of a heat pump via a temperature increase in the drive pressure accumulator.
An der Ordinate lässt sich ablesen, welche Abmessungen eine abstrahierte Würfelform als Ersatz für einen Druckgasbehälter haben muss, wenn eine bestimmte in 24 h erzeugte Energie unter einem bestimmten Druck gespeichert werden soll.The ordinate shows the dimensions of an abstracted cube shape as a replacement for a pressurized gas container, if a specific energy generated in 24 h is to be stored under a certain pressure.
Beispiel: Eine Windkraftanlage liefert 24 h gleichmäßig 5 MWh, also 120 MWh. Bei einem zulässigen Druck von 40 MN/m2, müsste die abstrahierte Würfelform eine Kantenlänge von ca. 22 m haben.Example: A wind turbine delivers 24h evenly 5 MWh, ie 120 MWh. At an allowable pressure of 40 MN / m 2 , the abstracted cube shape would have an edge length of about 22 m.
Die Kurvenschar zeigt auch, dass durch noch höhere Drücke als ca. 40 MN/m2 das benötigte Behältervolumen nur noch langsam abnimmt, der technische Aufwand dafür aber erheblich zunehmen würde.The family of curves also shows that even higher pressures than about 40 MN / m 2, the required container volume decreases only slowly, the technical complexity but would increase significantly.
Anhand dieses Diagrammes kann man erkennen, welche Temperaturerhöhung im Druckgasbehälter notwendig wird, wenn im Stromerzeugungsbetrieb Druckluft – und damit Masse – entnommen wird, um den Druck im Druckgasbehälter aufrecht zu erhalten.On the basis of this diagram, it can be seen which temperature increase in the compressed gas tank is necessary when compressed air - and thus mass - is taken in the power generation operation in order to maintain the pressure in the compressed gas tank.
Beispiel: In einem Behälter von 1000 m3 befinden sich 464 t Luft mit Umgebungstemperatur ca. T = 300 K. Es soll der Anfangsdruck von p = 40 MN/m2 aufrecht erhalten werden. Bei einer Abnahme auf 348 t müsste man die Temperatur im Druckgasbehälter auf ca. 400 K oder etwa 100°C erhöhen, um den Anfangsdruck konstant zu halten. Eine exotherme Reaktion von Wasser- und Sauerstoff im Druckgasbehälter könnte diese Wärmeenergie leicht erzeugen, zumal wenn die Gase an Ort und Stelle durch Elektrolyse entstanden sind. Ohne Nachheizung würde sich bei gleicher Temperatur der Druck auf ca. p = 30 MN/m2 verringern. Tatsächlich nimmt die Temperatur durch den negativen Massenstrom aber noch zusätzlich ab und damit würde der Druck noch erheblich tiefer sinken. Es ist zu erkennen, wie vorteilhaft eine Nachheizung durch Verbrennung oder aber auch durch Wärmeaustausch sein kann.Example: In a tank of 1000 m 3 there are 464 t of air with ambient temperature approx. T = 300 K. The initial pressure of p = 40 MN / m 2 should be maintained. With a decrease to 348 t, it would be necessary to increase the temperature in the compressed gas tank to about 400 K or about 100 ° C in order to keep the initial pressure constant. An exothermic reaction of water and oxygen in the pressurized gas container could easily generate this heat energy, especially if the gases were produced on site by electrolysis. Without reheating, the pressure would decrease to about p = 30 MN / m 2 at the same temperature. In fact, the temperature decreases even further as a result of the negative mass flow and thus the pressure would drop considerably more. It can be seen how advantageous a reheating can be by combustion or else by heat exchange.
Die Masse des Wasserstoffes stellt gespeicherte Energie dar, die durch eine Reaktion mit Sauerstoff unter Bildung von Wasser (hier Wasserdampf angenommen) als Enthalpie freigesetzt wird, die sich mit der zweiten Formel berechnen lässt.The mass of hydrogen represents stored energy, which is released as an enthalpy by reaction with oxygen to produce water (here assumed to be water vapor), which can be calculated using the second formula.
Beispiel: Ein Druckgasbehälter hat 1000 m3 Volumen und steht mit ca. 18 MN/m2 unter Druck, dann sind hier ca. 8000 kmol H2 gespeichert. Die gespeicherte Energie beträgt dann E(H2O,Gas) = 67,648·8000 kWh = 541184 kWh = 541,2 MWh. Geht man von einer 8 MWh Windkraftanlage aus, entspräche dies einer Speicherung von 68 h oder 2,82 Tagen im Volllastbetrieb.Example: A pressurized gas container has a volume of 1000 m 3 and is pressurized at approx. 18 MN / m 2 , then it stores approx. 8000 kmol H 2 . The stored energy is then E (H2O, gas) = 67.648 · 8000 kWh = 541184 kWh = 541.2 MWh. If one assumes an 8 MWh wind turbine, this would correspond to a storage of 68 h or 2.82 days in full load operation.
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