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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft die Optimierung der Stromversorgung aus Offshore-Wind-, Strömungs-, Wellen-, Wind-/Strömungs-, Wind-/Wellen-, Wind-/Strömungs-/Wellen- oder Strömungs-/Wellenenergieanlagen. Insbesondere betrifft sie ein Gesamtkonzept aus Offshore-Windenergieanlage oder -Windenergiepark und stromabführendem Kabelsystem.
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Stand der Technik
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Die bisherigen Anlagen enthalten nur kleine Speicher, die sehr kurzfristige, sehr hohe Leistungsspitzen abzupuffern gestatten. Grund hierfür sind die nur geringen Energiedichten. Sogar Lithium-Ionen-Akkus besitzen z. B. nur eine Energiedichte von 0,5 MJ pro Kilogramm. Dies bedeutet, daß ein Windrad, das 5 Megawatt (5 MJ pro Sekunde) leistet, einen mehr als 800 Tonnen schweren Li-Ionen-Akkuspeicher benötigte, um die Energie eines Tages zu speichern! Die Kosten hierfür wären immens! Ein Bleiakkumulator wäre aufgrund seiner geringeren Energiedichte von 0,11 MJ pro Kilogramm sogar noch fast 5 mal schwerer. (Und hierbei wurde von einer quantitativen Entladung ausgegangen, die unrealistisch ist.)
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Ebenso wird in der
EP 2 230 403 A1 ein Windenergieanlagensystem mit Energiespeicher beschrieben, welches über Regelkreise gestattet, die Leistungsabgabe von Windenergieanlagen zu vergleichmäßigen.
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Die Gesamtanlagen sind aber alle weiterhin darauf ausgelegt, die maximal mögliche Leistung an das Gesamtstromnetz abzugeben. Das abführende Kabelsystem ist entsprechend teuer! Dies wirkt sich vor allem bei Offshore-Windenergieanlagen mit ihren langen teuren Netzverbindungen stark als Kostenfaktor aus!
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Aufgabe der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, das Gesamtsystem aus entfernt stehender Windenergieanlage und abführendem Kabelsystem kostengünstiger zu gestalten.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Hierzu sieht die Erfindung vor, die möglichen Energiegewinne, die durch die elektrische Leitung abgeführt werden, zu „deckeln“, so daß nie die maximal mögliche Leistung der Windenergieanlage abgeführt wird, sondern nur ein gewisser Prozentsatz davon, z. B. 80%.
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Entsprechend ist das abführende Kabelsystem auch nur zur maximalen Weiterleitung dieser elektrischen Leistung ausgelegt, wodurch es deutlich billiger wird!
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Dies ermöglicht zwar den Betrieb der Windenergieanlage über die meiste Zeit (mehr als 80% der Zeit) hinweg nur zur Energiegewinnung unter Abführung der gesamten gewonnenen Energie über das Kabelsystem; während der restlichen Zeit, in der eine Überproduktion herrscht, muß diese Energie hingegen anders verwendet werden.
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Hierfür bieten sich zwei Möglichkeiten an:
- 1.) Speicherung als wiedergewinnbare Energie in einem Energiespeicher, aus dem sie zu Zeiten, in denen „Flaute“ herrscht, bzw. die Windenergieanlage nicht ausreichend Leistung produziert, abrufbar ist.
- 2.) Speicherung in Form chemischer Produkte, die in einem zur Windenergieanlage gehörenden Speicher aufgefangen und nach hinreichender Auffüllung des Speichers mit dem Schiff abgeholt werden oder auch durch ein Rohrsystem abgeführt werden.
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Zu 1.) Beispiele für solche Speicherung sind elektrische Akkumulatoren, Brennstoffzellen (die durch Strom erzeugten Treibstoff, z.B. Wasserstoff, wieder umsetzen), Schwungräder, Druckluftspeicher (bevorzugt adiabatisch oder quaiisotherm arbeitend), benachbarte Pumpspeicher, Osmosekraftwerke (betrieben über zuvor mittels elektrischer Energie entsalztes Wasser), thermische Hochtemperaturspeicherung.
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Die Energiedichten vieler Speicher sind gering. (Eine 5 MW Windenergieanlage erzeugt bei Vollast jede Sekunde 5 MJ an Energie, das sind pro Stunde 18000 MJ und pro Tag 432000 MJ !). Es sind daher verhältnismäßig große Mengen an Speichermaterial nötig, um z. B. die Energieproduktion eines Tages abzuspeichern. Die Energiedichte von Druckluft ist abhängig vom Anfangs- und Enddruck p, der absoluten Temperatur T und der Art der Ausnutzung (verrichtete Arbeit für ein ideales Gas: W = nRTln(p
1/p
2), R allgemeine Gaskonstante). In dieser Tabelle ist der optimalste Fall der isothermen Ausnutzung bei 20°C (293 Kelvin) aufgeführt (100% Wirkungsgrad):
| Speichermedium | Energiedichte in MJ pro Tonne | Tonnen Speichermaterial für Tagesproduktion einer 5 MW-Anlage |
| Doppelschichtkondensator | 20 | 21600 |
| Schwungrad | 30 bis 180 | 14400 bis 2400 |
| Bleiakkumulator | 110 | 3927 |
| Nickelmetallhydrid-Akku | 360 | 1200 |
| Lithiumionen-Akku | Bis 500 | >= 864 |
| Lithium-Luft-Batterie (kein Akku) | 3600 | 120 |
| Zink-Luft-Batterie | 1200 | 360 |
| Wasserstoff (inklusive Hydridtank) | 1190 | 363 |
| Methanol | 22700 | 19 |
| Wasserstoff (ohne Tank) (1 Tonne ~ 1,1 × 104m3 bei 20°C und Normaldruck) | 119900(8500 MJ pro m3 Flüssig-H2, ent-sprechend 71 Kilogramm) | 3,6 (~39600 m3 bei 20°C und 1 atm, also 3960 m3 bei 10 atm; 51 m3 als Flüssig-H2) |
| (zum Vergleich: Benzin) | 43000 | 10 |
| Potentielle Energie | 10–3 × g × h ~ 10–2 × h (in Metern) | 43200000/h (also z.B. 432000 m3 Wasser in 100 Meter Höhe) |
| Wärmeenergie in Wasser | ~4,2 pro Grad Celsius ΔT | ~100000/ΔT |
| Wärmeenergie in Wasserdampf bei 100°C | ~2600 | 166 |
| Druckluftenergie bei 60 bar (bei isothermer Entspannung auf 1 bar bei 293 K) | 346 (entspricht 13,8 m3) | 1249 (entspricht 17236 m3) |
| Druckluftenergie bei 6 bar (bei isothermer Entspannung auf 1 bar bei 293 K) | 151 (entspricht 138 m3) | 2861 (entspricht 394818 m3) |
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Bei Verwendung von Druckluft als Speichermedium (bevorzugt wäre eine isotherme oder adiabatische Speicherung mittels eines Wärmetauschers, der sich dann bevorzugt im Fundament oder Turm der Windenergieanlage oder einer Umspannstation befände) empfiehlt sich eine ausgespülte Kaverne unter den Offshore-Windenergieanlagen, die relativ günstig große Speichervolumina zur Verfügung stellt.
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Eine andere Möglichkeit, die Energie von Druckluft zur Energiespeicherung in der Nähe von Windenergieanlagen auszunützen, besteht darin, sie unter dem Meeresspiegel bei einem Druck zu speichern, der gleich oder nicht viel größer ist als der, der der auf dem Druckluftspeicher lastenden Wassersäule entspricht. Dann kann die Druckluft in einem Behältnis gespeichert werden, desen Wandungen nur geringe Kräfte aushalten müssen. Im Extremfall kann es sich dann um einen beschwerten oder verankerten gasdichten Foliensack mit flexiblen Wänden handeln, die ihre Form dem Inhalt im Sack anpassen.
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Bei in tieferem Meereswasser schwimmenden Windenergieanlagen kann ein solcher auf dem Grund befindlicher Speicher Luft unter hohem Druck und daher hohem Energiegehalt speichern. 600 Meter Meerestiefe entsprechen dabei ungefähr 60 bar.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, die Druckluft zum Betrieb einer Mammutpumpe bzw. Geysirpumpe zu verwenden, die Wasser auf ein Niveau oberhalb des Meeressoiegels anhebt, von wo aus es dann in einem Rohr oder auch frei herabstürzt und eine Turbine antreibt, die die Lageenergie des Wassers in kinetische Energie und letztendlich elektrische Energie umsetzt.
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Die Mammutpumpe befindet sich dabei vorzugswesie im Inneren der Gründung und des Mastes der Windenergieanlage.
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Auch schon im auftsteigenden Wasserstrom der Mammut- bzw. Geysirpumpe kann schon eine geeignete Turbine elektrische Energie erzeugen, was natürlich dazu führt, daß dafür das Wasser nicht mehr so hoch über den Meeresspiegel angehoben wird, weil der Druckluft bereits Energie entzogen wurde.
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Bei einer Mammut- bzw. Geysirpumpe ist nur mit einem Wirkungsgrad von 10 bis 60% zu rechnen, je nach Ausführung und Annäherung an eine Isothermie (Temperaturausgleich mit dem umgebenden Wasser) bei der Druckluftentspannung. Dafür erspart man sich das Problem der Turbinenvereisung, welches bei einem Druckluftkraftwerk ohne Wärmespeicher bei der Entspannung der Luft aufträte, weil dort sich beim Entspannen abkühlende Luft die Turbinen antriebe und nicht wie hier Wasser. Da die Druckluftspeicher selbst kostengünstig sind, und die Luft mit Strom von geringem Preis komprimiert wird, aber der Strom, der bei ihrer Entspannung erzeugt wird, einen teuren Preis erwirtschaftet, lohnt sich ein solches Hybridkraftwerk aus Windenergieanlage und mammutpumpenbetriebenem (oder geysirpumpenbetriebenem) Wasserkraftwerk trotzdem.
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Um die Mammutpumpe bzw. Geysirpumpe mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad zu betreiben, wird die Druckluft mit einem Druck in das Wasser geleitet, der nur geringfügig (1 bis 100 %, bevorzugt 1 bis 30%, noch bevorzugter 1 bis 10%) über dem anstehenden Wasserdruck liegt.
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Auch Wasserstoff ließe sich in unterirdischen Kavernen zwischenspeichern und mittels einer Brennstoffzelle wieder in Strom verwandeln.
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Eine Speicherung von Wasserstoff unter Druck kann bevorzugt in Hohlräumen des Fundaments und des Turms stattfinden, wobei der Metallmantel eines solchen Speichers in den Betonteilen der Offshore Windenergieanlage deutlich dünner ausgeführt werden kann (bei geringen Drucken sogar durch Nichtmetall ersetzt werden kann), da der bewehrte Beton einen Teil von dessen statischen Aufgaben übernimmt. Zwar erhöht sich dadurch die Diffusion des Wasserstoffs durch den Metallmantel hindurch, doch hat sich überraschenderweise gezeigt, daß der Wasserstoff im Beton so stark reduzierend wirkt, daß dadurch die Stahlbewehrung gegen Korrosion geschützt wird, die durch den Einfluss des Salzwassers sonst stärker als zu Lande angegriffen würde (vor allem im Spritzwasserbereich oberhalb des Meeresspiegels)! Die Lebensdauer des Betonteils der Windenergieanlage erhöht sich dadurch wesentlich!
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Eine sinnvolle Möglichkeit zur Speicherung großer überschüssiger Energiemengen stellt Methanol dar! Erfindungsgemäß wird bei Windmangel Methanol in Brennstoffzellen direkt in Strom umgewandelt und die entstehenden Abgase CO2 und Wasser konzentriert aufgefangen. Diese Abgase werden dann wiederum in Zeiten großen Windangebots elektrochemisch zu Methanol reduziert und dieses in Tanks gespeichert, so daß ein echter Kreisprozess entsteht.
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Methanol und Kohlendioxid lassen sich, anders als etwa Wasserstoff, sehr einfach und dicht speichern! Das Volumen von 19 Tonnen Methanol beträgt nur ungefähr 24 m3, das der daraus entstehenden ungefähr 26 Tonnen Kohlendioxid in flüssiger Form bei etwa 70 bar 26 m3.
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Es lohnt sich bei einem Windpark eher ein gemeinsamer Tank für Methanol und einer für CO2 sowie eine gemeinsame Brennstoffzelleneinheit und Elektrolyseeinheit, als mehrere separate kleinere Einheiten, die dafür aber mehr Redundanz liefern würden.
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Die Speicher könnten sich in einer oder wenigen der Windenergieanlagen befinden oder in einer Umspannstation, ebenso die Brennstoffzelleneinheiten und CO2-Elektrolyseeinheiten.
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Bei Speicherung von überschüssiger Energie als Heißdampf bietet sich, abgesehen von einer auf das Medium optimierten Turbine, auch an, die Turbinen eines oder mehrerer zusätzlich zu den Windenergieanlagen installierter OWC-Wellenkraftwerke (Oscillating Wave Columns) durch den Heißdampf zu betreiben. Idealerweise stellt der Mast der Windenergieanlage einen Teil eines solchen Wellenkraftwerkes dar.
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Gleiches gilt bei Speicherung der überschüssigen Energie als Druckluft. Auch diese kann durch die Turbinen der OWC-Wellenkraftanlage geleitet werden und dort, mit gegenüber optimierten Turbinen verringertem Wirkungsgrad, Energie erzeugen.
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Zu 2.) Beispiele für eine solche Speicherung sind z. B. entsalztes Wasser (interessant vor allem für die wasserarmen Staaten des Südens), destilliertes bzw. demineralisiertes Wasser (vor allem für die chemische Industrie), Wasserstoff und Sauerstoff (vor allem für die chemische Industrie), auch Chlorproduktion wäre möglich, Redoxflow-Batterieaustauschsubstanz (elektrochemische Regeneration des Inhalts von Redoxflow-Batterien: verbrauchter Inhalt wird angeliefert, regenerierter Inhalt später wieder abgeholt). Geeignet als solche Speicher sind auch Produkte mit hoher Wertschöpfung, die sich vollautomatisch ohne Überwachung durch anwesende Menschen unter Einsatz elektrischen Stroms gewinnen lassen und die auch an Land unter Einsatz elektrischen Stroms gewonnen werden müßten. Aus dem Meerwasser selbst läßt sich so z.B. mittels Absorbtion und Desorbtion auch Uran gewinnen, das in einer Konzentration von 3,3 Milligramm pro Tonne Meerwasser enthalten ist.
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Wasserentsalzung mittels Umkehrosmose benötigt ungefähr 2 bis 3 kWh pro m3 (1 kWh entspricht 3,6 MJ Energie). Eine Windenergieanlage, die 5 MW abgibt, erzeugt somit knapp 1,4 kWh pro Sekunde, wodurch sie jede Sekunde (mittels einer üblichen Umkehrosmoseanlage) 1,5 bis 2 m3 entsalztes Wasser herstellen könnte. Binnen eines Tages wären das ungefähr 130000 bis 170000 m3. Da die Anlage aber nur Überschussenergie für die Produktion aufwenden würde, wäre das Volumen deutlich geringer, aber immer noch so groß, daß ein Sammeln in einem außerhalb des Windenergieanlage befindlichen Reservoir („Kunststoffsack“) sinnvoll wäre.
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Sinnvoll wäre auch die Produktion von Reinstwasser (z.B. für die Halbleiterindustrie), bei der der Energieverbrauch pro m3 wesentlich höher ist, so daß die anfallende Menge innerhalb der Windenergieanlage bis zur Abholung sicher gespeichert werden könnte. Die Produktion von Wasser in Windenergieanlagen hat den Vorteil, daß keine Umweltschädigungen bei Havarien zu befürchten wären!
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Eine andere Möglichkeit besteht in der Belüftung tiefer Wasserschichten durch Pumpen, um deren Sauerstoffgehalt, der durch diverse Prozesse bisweilen erniedrigt ist, wieder zu erhöhen. Gleichzeitig läßt sich auf diese Weise Kohlendioxid der Luft in tiefere Wasserschichten transportieren, in denen es sich löst.
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Wieder eine andere erfindungsgemäße Anwendung des Überschußstromes sieht die Herstellung von flüssigem Treibstoff vor, der dann per Schiff abgeholt oder per Pipeline an Land befördert wird. Diese Herstellung von Treibstoff geschieht in einer bevorzugten Variante aus dem Kohlendioxid des Meerwassers, da das Meerwasser pro Volumeneinheit ungefähr 100 mal so viel Kohlendioxid enthält, wie die Luft.
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Das Kohlendioxid kann hierzu durch elektrolytisches Ansäuern des Wassers aus dem leicht alkalischen Meerwasser ausgetrieben werden, in dem es hauptsächlich als Hydrogencarbonat vorliegt.
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Ebenso wird gleichzeitig Wasserstoff durch Elektrolyse aus dem Meerwasser gewonnen und der Wasserstoff dann mit dem gewonnenen Kohlendioxid mittels eines im Stand der Technik beschriebenen Katalysators zu Methan oder auch gleich höheren flüssigen Kohlenwasserstoffen umgesetzt. Methan wird entweder per Pipeline abgefördert, verflüssigt und später per Schiff abgeholt, oder vor Ort katalytisch weiter zu höheren Kohlenwasserstoffen umgesetzt, die sich gut lagern lassen und später als Treibstoff Verwendung finden können.
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Eine Speicherung der überschüssigen Energie in Form von überhitztem Wasserdampf ist, wie die Tabelle zeigt, schon in relativ kleinen Volumina möglich, die im Fundament oder/und Turm der Windenergieanlage Platz fänden. (Bei 250°C stünde der Wasserdampf unter einem Druck von etwa 40 bar, bei 300°C bei etwa 85 bar, bei 350°C bei etwa 165 bar, beim kritischen Punkt bei 374°C bei etwa 221 bar; oberhalb dieser Temperatur verhält sich der Dampfdruck ungefähr wie der eines Gases und erhöht sich damit nur ungefähr proportional der absoluten Temperatur in Kelvin.) Andererseits ist der Wirkungsgrad der Umwandlung dieser thermischen Energie in elektrische Energie recht schlecht, nur bis etwa 30%. Dafür findet die Umwandlung der bei Überproduktion billigen oder sogar kostenlosen überschüssigen elektrischen Energie in Wärme praktisch quantitativ statt. Der Wärmespeicher muss natürlich sehr gut isoliert sein.
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Man sieht, daß die überschüssig erzeugte Leistung einer Windenergieanlage in den meisten Fällen eine Speicherung der damit hergestellten Produkte in großen Volumina erfordert. Eine Ausnahme stellt die Produktion energieintensiver hochwertiger Produkte dar, die aber in den meisten Fällen die Anwesenheit von Menschen erfordern, was auf Offshore-Windenergieanlagen unerwünscht ist.
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Unabhängig von der Art der Speicherung sieht die Erfindung vor, die den Strom von den Offshore-Windenergieanlagen fortleitenden und regelnden Systeme schwächer auszulegen als bislang üblich, wodurch sich die Gesamtanlage verbilligt! Bislang sind diese ableitenden Systeme nämlich immer auf die maximale Leistung der Windenergieanlage ausgelegt (im Falle einer 5 MW Anlage also auf 5 Megawatt plus Sicherheitsspielraum), die aber nur während relativ geringer Zeiträume geliefert wird.
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Erfindungsgemäß werden die ableitenden Systeme (vor allem also die Kabel) nur auf eine gegenüber der Maximalleistung um mindestens 15% niedrigere Leistung ausgelegt und die eventuell anfallende darüber hinausgehende Leistung wird in einem Speicher als Energie oder Produkt abgelegt. Die mögliche Reduktion ist vom Standort und dessen Gleichmäßigkeit des Windes abhängig. Meistens kann um mindestens 20% reduziert werden und der überschüssige Strom wird zwischengespeichert und in Schwachwindphasen abgegeben oder zur Herstellung von Produkten verbraucht.
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Da die ableitenden Kabel allein schon aufgrund ihres Materials große Werte darstellen, ermöglicht die Deckelung der Leistungsspitzen einer Windenergieanlage oder eines Windparks deutliche Kosteneinsparungen gegenüber der bisherigen Vorgehensweise.
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Erfindungsgemäß lassen sich auf gleiche Weise auch andere Offshore-Energieanlagen, die zeitlich unregelmäßig Energie liefern, erfindungsgemäß mit schwächeren ableitenden elektrischen Systemen ausstatten. Hierzu gehören Strömungs- und Wellenenergieanlagen sowie kombinierte Wind-/Strömungs-, Wind-/Wellen-, Wind-/Strömungs-/Wellen- oder Strömungs-/Wellenenergieanlagen.
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Eine Variante der Erfindung sieht vor, die Verbindung der stromerzeugenden Anlagen eines Energieparks mit der zentralen stromableitenden Einheit durch einen Algorithmus für die Optimierung des „Weges eines Handelsreisenden“ zu optimieren, wobei als Nebenbedingung die Kosten für Material und Verlegung berücksichtigt werden, sowie der Spannungsabfall in den Leitungen. (Leitungen, die, mehrere stromerzeugende Anlagen in Reihe verbindend, die Zentrale erreichen, müssen stärker und damit teurer ausgelegt werden.)
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Eine weitere Variante der Erfindung sieht die Erzeugung von Hochspannungsgleichstrom in jeder einzelnen stromerzeugenden Anlage oder einem Cluster von mehreren Anlagen vor und eine Zusammenführung der Gleichstromspannungen der Anlagen oder/und Cluster zur zentralen Stromableitungseinheit.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009017244 A1 [0002]
- DE 102008049310 A1 [0002]
- DE 102008059549 A1 [0002]
- EP 2230403 A1 [0004]