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Die Erfindung betrifft eine Energiespeichereinrichtung zur temporären reversiblen Speicherung überschüssiger Energie.
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Energie wird heutzutage auf unterschiedlichste Weisen erzeugt, wobei insbesondere alternative Energieerzeugungsformen immer stärker in den Fokus rücken. Hierunter sind neben Solaranlagen insbesondere Windenergieerzeugungsanlagen zu nennen, die sowohl an Land als auch Offshore aufgebaut werden. Diesen Energieerzeugungseinrichtungen, seien es Solaranlagen oder Windanlagen, gemein ist, dass der Umstand, ob sie Energie erzeugen oder nicht, letztlich davon abhängt, ob die erzeugenden Randbedingungen gegeben sind, ob also ausreichend Sonnenlicht zur Verfügung steht oder ob der Wind bläst. Dies führt wiederum dazu, dass mitunter Energie erzeugt wird und dem Energieversorgungsnetz zur Verfügung steht, wenn hinreichend Energie im Netz vorhanden ist, mithin also kein Bedarf an der beispielsweise über die Windkraftanlage erzeugten Energie besteht. Mitunter wird auch soviel Energie bereitgestellt, dass das Versorgungsnetz an seine Kapazitätsgrenze stößt. Letztlich sind also Situationen gegeben, in denen überschüssige Energie erzeugt wird, die also nicht benötigt wird. Um hier zumindest teilweise Abhilfe zu schaffen werden beispielsweise Windkraftanlagen zu Zeiten, in denen bekannt ist, dass weniger Energie benötigt wird, nicht betrieben, um nicht unnütz Energie zu erzeugen, bzw. werden stillgelegt, werden die Netzkapazität nahezu ausgeschöpft ist, um das Netz nicht über Gebühr zu belasten. Gleichwohl sind jedoch die Randbedingungen, die zum Betrieb einer alternativen Energieerzeugungsanlage wie beispielsweise einer Windkraftanlage benötigt werden, gegeben, werden jedoch nicht genutzt. Zweckmäßig wäre es, wenn die überschüssige Energie temporär gespeichert werden könnte, um sie dann, wenn sie benötigt wird, aus dem Speicher zu ziehen.
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Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, eine Möglichkeit zur reversiblen temporären Energiespeicherung überschüssiger Energie anzugeben.
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Zur Lösung dieses Problems ist erfindungsgemäß eine Energiespeichereinrichtung zur temporären reversiblen Speicherung überschüssiger Energie vorgesehen, umfassend wenigstens einen, vorzugsweise unter Wasser anzuordnenden, Auftriebskörper sowie ein Antriebsmittel mit einem Motor und einem Generator, wobei der Auftriebskörper mittels dem mit temporär vorhandener überschüssiger und der Speichereinrichtung zugeführter Energie betriebenen Motor in die Tiefe bewegbar ist, und der zur Energieerzeugung aufsteigt und dabei den antreibt.
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Die erfindungsgemäße Energiespeichereinrichtung ermöglicht die Speicherung überschüssiger Energie, indem ein Auftriebskörper, beispielsweise ein Ballon oder ein nach unten offenes Gefäß oder ähnliches, der in einem Gewässer – sei es ein See oder Meer – unter Wasser vorgesehen ist, in eine größere Tiefe bewegt wird. Hierzu ist ein Antriebsmittel umfassend einen Motor und einen Generator vorgesehen. Wird nun der Energiespeichereinrichtung überschüssige Energie, die einzuspeichern ist, zugeführt, so wird der Motor angesteuert und mittels der überschüssigen Energie betrieben. Durch diesen Motorbetrieb wird der Auftriebskörper nach unten gezogen, das heißt, dass die dem Motor zugeführte elektrische Energie durch das Bewegen des Auftriebskörpers in eine größere Tiefe in „Lageenergie“ umgewandelt wird. Dies geschieht so lange, bis die einzuspeichernde Energiemenge entweder komplett abgebaut ist, oder bis der Auftriebskörper in die maximale Tiefe bewegt wurde.
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Die Antriebseinrichtung umfasst einen Generator. Soll nun dem Energiespeicher die in Form der „Lageenergie“ gespeicherte Energie wieder entzogen und in elektrische Energie umgewandelt werden, so wird der in seiner tiefen Position über ein geeignetes Bremsmittel gehaltene Auftriebskörper freigegeben, so dass er aufsteigen kann. Hierbei wird der Generator angetrieben, er erzeugt wiederum Energie, die sodann entweder in das Versorgungsnetz, aus dem die zuvor eingespeicherte Energie bezogen wurde, zurückgeführt wird oder zu anderen Zwecken genutzt wird.
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Der Auftriebskörper kann, wenn er unter Wasser angeordnet wird, als Ballon oder als nach unten offenes Gefäß ausgeführt sein. Denkbar ist auch die Ausbildung als Vollmaterialkörper aus einem Material, das leichter als Wasser ist, z.B. einem Kunststoff oder Kunststoffschaum (z.B. Polystyrolschaum). Statt eines in einem Gewässer angeordneten Auftriebskörpers wäre grundsätzlich auch die Verwendung eines atmosphärischen Auftriebskörpers, z.B. eines mit Helium gefüllten Ballons, denkbar. Dieser wird über den Motor nach unten in die Tiefe gezogen, um Energie als Lageenergie zu speichern. Zur Rückgewinnung steigt der Heliumballon nach oben und treibt den Generator an.
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Dabei kann die Energiespeichereinrichtung als „stand alone“-Anordnung extern zu einer entsprechenden Energieerzeugungseinrichtung positioniert sein, nachdem die überschüssige Energie ohne weiteres auch über längere Strecken über das Versorgungsnetz transportiert werden kann. Denkbar wäre beispielsweise eine Anordnung der Energiespeichereinrichtung zusammen mit mehreren Offshore-Energieerzeugungseinrichtungen in einer Art Windpark, wobei die einzelnen Energieerzeugungseinrichtungen über entsprechende Stromleitungen mit der Energiespeichereinrichtung verbunden sind. Liegt ein Energieüberschuss an, kann der von einer Energieerzeugungseinrichtung erzeugte überschüssige Strom über die Leitung der Energiespeichereinrichtung zugeführt und dort eingespeichert werden.
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Daneben kann die Energiespeichereinrichtung natürlich auch Teil einer solchen Offshore-Energieerzeugungseinrichtung sein. Sie kann also dortseits verbaut sein, so dass folglich die Energieerzeugungseinrichtung auch ihren eigenen Auftriebs-Energiespeicher besitzt, worauf nachfolgend noch eingegangen wird.
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Die aus dem Energiespeicher zurückgewonnene elektrische Energie kann wie beschrieben beispielsweise dem Stromnetz zugeführt werden, wenn entsprechender Bedarf besteht. Sie kann aber auch bei verbauter Energiespeichereinrichtung entweder als zentraler Energiespeicher innerhalb z.B. eines Windparks oder als integraler Energiespeicher einer Windkraftanlage zum Starten einer solchen Windkraftanlage genutzt werden, wenn diese also andreht. Hierzu wird aus dem Energiespeicher durch Aufsteigen des Auftriebskörpers elektrisch Energie zurückgewonnen, worüber über einen als Motor geschalteten Antrieb der Rotor angedreht wird. Die zurückgewonnene elektrische Energie kann aber auch beispielsweise zur Verstellung der Rotorblattausrichtung genutzt werden und ähnliches.
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In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Motor und der Generator von einer Elektromaschine, die als Motor und als Generator betreibbar ist, gebildet ist. Es kommt also eine Elektromaschine zum Einsatz, die über eine geeignete Steuerungseinrichtung wahlweise in den Motorbetrieb geschaltet und mittels der überschüssigen Energie betrieben werden kann, und die in den Generatorbetrieb geschaltet werden kann, wenn durch Aufsteigen des Auftriebskörpers Energie zurückgewonnen werden soll. Alternativ können natürlich auch ein separater Motor und ein separater Generator vorgesehen sein, die je nach Situation (Einspeichern oder Rückgewinnen) betrieben werden.
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Wie beschrieben dient der Motor oder die als Motor betriebene Elektromaschine dazu, den Auftriebskörper in eine größere Tiefe zu ziehen, wozu das Antriebsmittel neben dem Motor bzw. der Elektromaschine auch ein Zugmittel umfasst, mit dem der wenigstens eine Auftriebskörper verbunden ist. Der Motor bzw. die Elektromaschine, als Motor betrieben, bewegt das Zugmittel, das zweckmäßigerweise auf eine und von einer Rolle, mit der der Motor bzw. die Elektromaschine gekoppelt ist, wickelbar ist. Durch Ziehen respektive Aufwickeln des Zugmittels, beispielsweise ein hinreichend stabiles Stahlseil oder ähnliches, wird der Auftriebskörper aktiv nach unten gezogen. Über dieses Zugmittel wird im umgekehrten Fall natürlich auch der Generator bzw. die Elektromaschine als Stromgenerator betrieben, wenn der Auftriebskörper nach oben steigt. Hierbei wird das Zugmittel von der Rolle abgewickelt, wobei die Rolle wie beschrieben mit dem Generator bzw. der Elektromaschine gekoppelt ist und folglich die Rollenrotation zu einem Betrieb des Generators bzw. der Elektromaschine führt.
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Zweckmäßigerweise sind mehrere Auftriebskörper zur gemeinsamen Bewegung mit einem gemeinsamen Zugmittel verbunden. Beispielsweise ist es denkbar, zwei, drei oder vier, bei Bedarf auch mehr einzelne Auftriebskörper wie Ballone oder ähnliches über jeweils einen eigenen Zugmittelabschnitt an ein zentrales Zugmittel anzubinden oder anzuhängen, welches zentrale Zugmittel sodann auf die Rolle gewickelt wird. Die Auftriebskörper werden gemeinsam in die Tiefe gezogen, steigen aber auch gemeinsam wieder auf, um Energie zurückzugewinnen. Je mehr Auftriebskörper vorgesehen sind, umso größer kann das „Speichervolumen“ ausgelegt werden, da die Maße des verdrängten Wassers dementsprechend größer wird.
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Zweckmäßigerweise ist zwischen die Rolle und den Motor und/oder den Generator bzw. die Elektromaschine ein Übersetzungsgetriebe geschaltet, was sowohl für den Einspeicher- als auch den Rückgewinnungsbetrieb von Vorteil ist, da eine Rotation der Elektromaschine zu einer entsprechenden Mehrfachrotation der Rolle und umgekehrt führt. Bei Einsatz eines separaten Generator kann dieser aber so ausgelegt werden, dass er hinreichend angetrieben wird und Energie erzeugt, ohne dass ein Getriebe zwischenzuschalten ist.
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Zweckmäßigerweise ist der Rolle oder dem Zugmittel eine schaltbare Feststellbremse zugeordnet, die es ermöglicht, sie oder es festzubremsen, wenn der Einspeicher- oder der Rückgewinnungsbetrieb beendet ist, mithin also der Auftriebskörper in seiner Ist-Position gehalten werden soll.
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Das Zugmittel selbst wie auch seine entsprechenden Abschnitte, die bei Verwendung mehrer Auftriebskörper zu den einzelnen Auftriebskörpern führen, sind zweckmäßigerweise innerhalb eines Turms, der Teil der Energiespeichereinrichtung ist, geführt und im Bereich des unteren Turmendes am Gewässerboden verbaut ist, aus dem Turm zum Auftriebskörper läuft. Dabei kann das Zugmittel auch flaschenzugartig über mehrere Rollen geführt sein. Hier ist also ein turmartiger, kompakter Aufbau gegeben.
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Alternativ ist es denkbar, dass das Zugmittel frei oder zumindest abschnittsweise in einem Führungsrohr zum Auftriebskörper läuft. In diesem Fall kann z.B. der Motor/Generator bzw. die Elektromaschine nebst Rolle etc. am Ufer eines Gewässers, z.B. einem Maschinenhaus angeordnet sein, während das Zugmittel schräg in das Gewässer läuft und über eine oder mehrere Umlenkrollen geführt zum Auftriebskörper läuft. Das Zugmittel wird dann also seitlich bewegt, um den Auftriebskörper nachunten zu ziehen, bzw. wenn dieser aufsteigt.
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Bei einem turmartigen Aufbau ist der Motor/Generator bzw. die Elektromaschine selbst nebst Rolle und gegebenenfalls Übersetzungsgetriebe bevorzugt im Inneren des Turms angeordnet, kann aber auch in einer auf dem Turm aufgesetzten Einhausung aufgenommen sein. Handelt es sich bei der Energiespeichereinrichtung um eine „stand alone“-Anordnung, so ist eine entsprechende Versorgungsleitung zum Versorgungsnetz oder zu der oder den benachbarten Energieerzeugungseinrichtungen vorgesehen.
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In einer weiteren respektive alternativen Ausbaustufe kann die Energiespeichereinrichtung wie beschrieben auch Teil einer Offshore-Energieerzeugungseinrichtung mit einer Windturbinenanordnung umfassend einen Rotor und einen über diesen antreibbaren Generator sowie mit einem die Windturbinenanordnung tragenden Turm sein. Die Elektromaschine wäre dann in der Windturbinenanordnung, die eine entsprechende oberseitig am Turm aufsitzende Gondel oder ähnliches umfasst, angeordnet, die Rolle nebst Zugmittel ist zum Beispiel turmseitig vorgesehen.
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Neben der Energiespeichereinrichtung selbst betrifft die Erfindung eine Offshore-Energieerzeugungseinrichtung, mit einer Vorrichtung zur Energieerzeugung, die durch Wind oder Wasser betrieben wird, z.B. eine Windturbinenanordnung oder ein Welle- oder Strömungskraftwerk o.dgl. Diese Offshore-Energieerzeugungseinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Energiespeichereinrichtung umfassend wenigstens einen, vorzugsweise unter Wasser anzuordnenden, Auftriebskörper vorgesehen ist, der über ein Antriebsmittel, das mittels temporär vorhandener überschüssiger, von der Energieerzeugungsvorrichtung erzeugter Energie betrieben wird, in die Tiefe bewegbar ist und der zur Energieerzeugung aufsteigt und dabei einen Generator antreibt.
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Die Offshore-Energieerzeugungseinrichtung, also z.B. die Windkraftanlage, zeichnet sich durch eine beispielsweise integrierte Energiespeichereinrichtung, bevorzugt eine Energiespeichereinrichtung wie zuvor beschrieben, aus. Die Energiespeichereinrichtung umfasst ein Antriebsmittel, das wiederum bevorzugt eine Elektromaschine aufweist, die zum Bewegen des Auftriebskörpers in die Tiefe als Motor und zum Erzeugen von zurückzugewinnender Energie beim Aufsteigen des Auftriebskörper als Generator betreibbar ist. Alternativ kann auch ein separater Motor, über den der Auftriebskörper in die Tiefe gezogen wird, und ein separater Generator, der über den aufsteigenden Auftriebskörper angetrieben wird und Energie erzeugt, vorgesehen sein. Ferner wäre, worauf nachfolgend noch eingegangen wird, auch eine rein mechanische Antriebskopplung mit dem Auftriebskörper möglich, so dass dieser ohne Konvertierung der überschüssigen Energie, z.B. der Rotorrotation eines Windkraftanlagenrotors, zum Einspeichern der Energie in die Tiefe gezogen werden kann. Der Auftriebskörper kann dabei unter Wasser angeordnet sein, und als Ballon, als nach unten offenes Gefäß oder als aus einem Material, das leichter als Wasser ist, z.B. einem Kunststoff oder Kunststoffschaum (z.B. Polystyrolschaum), bestehender Körper ausgebildet sein. Er kann aber auch über Wasser angeordnet sein und als z.B. mit Helium gefüllter Ballon ausgeführt sein. Zum Speichern der Energie wird der Heliumballon nach unten gezogen, zur Rückgewinnung steigt der unter Antrieb des Generators auf.
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Neben der Integration der Energiespeichereinrichtung als Teil der Offshore-Energieerzeugungseinrichtung (gleich ob Windkraftanlage, Wellen- oder Strömungskraftwerk o.dgl.) kann die Energiespeichereinrichtung auch extern dazu angeordnet sein, wenn das Antriebsmittel einen Motor oder eine Elektromaschine umfasst, die mittels der überschüssigen, elektrischen Energie gespeist wird. Hierzu ist lediglich eine Leitungsverbindung nötig, so dass beide Komponenten auch weiter voneinander entfernt sein können. Hierdurch ist beispielsweise eine Verbindung einer Energiespeichereinrichtung mit mehreren Erzeugungseinrichtungen, z.B. mehreren Windkraftanlagen, denkbar, die ihre überschüssige Energie in einer gemeinsamen Speichereinrichtung speichern können.
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In Weiterbildung der Erfindung kann bei Verwendung eines Motors als Teil der Antriebseinrichtung der Motor und der Generator von einer Elektromaschine, die als Motor und als Generator betreibbar ist, gebildet sein. Es kommt also eine Elektromaschine zum Einsatz, die über eine geeignete Steuerungseinrichtung wahlweise in den Motorbetrieb geschaltet und mittels der überschüssigen Energie betrieben werden kann, und die in den Generatorbetrieb geschaltet werden kann, wenn durch Aufsteigen des Auftriebskörpers Energie zurückgewonnen werden soll. Alternativ können natürlich auch ein separater Motor und ein separater Generator vorgesehen sein, die je nach Situation betrieben werden. Dies gilt unabhängig davon, od die Energiespeichereinrichtung in die Erzeugungseinrichtung integriert oder extern dazu vorgesehen ist.
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Die Energieerzeugungseinrichtung kann eine Windturbinenanordnung sein, umfassend einen Rotor und einen über diesen antreibbaren weiteren Generator. Dabei kann nach einer oben bereits angesprochenen ersten Alternative der Rotor mit dem Antriebsmittel mechanisch gekoppelt sein, so dass der Rotor bei Drehung das Antriebsmittel, z.B. eine Rolle, auf die das Zugmittel aufgewickelt wird, antreibt und der Auftriebskörper nach unten gezogen wird. D.h., dass die Rotorrotation, also die rotative Bewegungsenergie, direkt in Lageenergie umgewandelt wird, ohne sie zuvor in elektrische Energie zu konvertieren. In diesem Fall ist also ein Motor nicht erforderlich. Natürlich ist der Rotor über eine schaltbare Kupplung mit dem Antriebsmittel verbunden, so dass bei Bedarf die Verbindung geschlossen oder geöffnet werden kann. Auch sind natürlich entsprechende mechanische Verbindungsmittel wie Wellen etc. vorgesehen, um den Rotor entsprechend zu koppeln. Alternativ kann natürlich auch die Energie als elektrische Energie von dem Generator, der über den Rotor angetrieben wird, bereitgestellt werden, über welche dann der Motor bzw. die Elektromaschine angetrieben wird.
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Bevorzugt handelt es sich bei der Vorrichtung zur Energieerzeugung um eine Windkraftanlage, umfassend eine Windturbinenanordnung. Der Motor/Generator bzw. die Elektromaschine ist vorzugsweise im Bereich der Windturbinenanordnung vorgesehen, mithin also im Bereich der auf dem Turm sitzenden Gondel. Weiterhin vorgesehen ist der wenigstens eine Auftriebskörper, der vorzugsweise wiederum über ein Zugmittel mit dem Motor/Generator bzw. der Elektromaschine gekoppelt ist und zum Speichern überschüssiger Energie, die hier bevorzugt unmittelbar vom Generator der Energieerzeugungseinrichtung, also der Windturbinenanordnung erzeugt wird, über die Elektromaschine respektive das Antriebsmittel in die Tiefe gezogen wird. Zur Rückgewinnung der eingespeicherten Energie wird der Auftriebskörper, der zuvor festgebremst war, freigegeben, er kann nach oben steigen, worüber ein weiterer Generator, vorzugsweise eben die dann als Generator geschaltete Elektromaschine der Energiespeichereinrichtung, zur Stromerzeugung betrieben wird. Die erzeugte Energie kann auf unterschiedliche Weise verwendet werden, entweder zum Andrehen der Windturbinenanordnung respektive des Motors, zur Rotorblattfeststellung oder zum Einspeisen in das Versorgungsnetz, das mit der Energieerzeugungseinrichtung gekoppelt ist.
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Auch in diesem Fall dient folglich die Energiespeichereinrichtung zur Netzregulierung, mithin also zum Einspeichern von Energiespitzen, die temporär nicht benötigt werden, respektive zum Erzeugen oder Abziehen von Energie aus dem Speicher, wenn diese benötigt wird.
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Wie beschrieben ist vorzugsweise eine Elektromaschine, die in einen Motorbetrieb und einen Generatorbetrieb geschaltet werden kann, als zusätzliches Betriebselement innerhalb der Einhausung der Windturbinenanordnung zum dortigen Generator respektive der sonstigen Leistungselektronik etc. vorgesehen.
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Das Antriebsmittel umfasst ein Zugmittel wie ein geeignetes Stahlseil oder Ketten, mit dem der wenigstens eine Auftriebskörper verbunden ist. Bevorzugt sind jedoch mehrere Auftriebskörper zur gemeinsamen Bewegung mit einem gemeinsamen Zugmittel gekoppelt.
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Vorgesehen ist ferner bevorzugt eine Wickelrolle, die mit der der Rotor (bei rein mechanischem Antrieb des Zugmittels) oder der Motor/Generator bzw. die Elektromaschine, bevorzugt über ein zwischengeschaltetes Übersetzungsgetriebe, gekoppelt ist, und auf die respektive von der das Zugmittel gewickelt werden kann. Der Rotor oder der Motor bzw. die motorisch betriebene Elektromaschine treibt also die Rolle an, wenn Energie eingespeichert werden soll respektive der oder die Auftriebskörper nach unten gezogen werden sollen. Umgekehrt, wenn Energie zurückgewonnen werden soll, treibt der oder treiben die aufsteigenden Auftriebskörper über das Zugmittel, das wiederum von der Rolle abgewickelt wird, die Rolle an, die ihrerseits in Folge der mechanischen Kopplung den Generator bzw. die dann als Generator geschaltete Elektromaschine zur Stromerzeugung antreibt.
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Das Zugmittel selbst ist bevorzugt innerhalb eines Turms oder, wenn als Erzeugungseinrichtung eine Windkraftanlage mit Windturbinenanordnung vorgesehen ist und die Energiespeichereinrichtung dort integriert ist, des anlagenseitigen Turms der Offshore-Energieerzeugungseinrichtung, welcher Turm bodenseitig am Meeresgrund verankert ist, geführt. Im Bereich des unteren Endes läuft das Zugmittel aus dem Turm zu dem respektive zu den Auftriebskörpern, wobei natürlich entsprechende Zugmittelführungen vorgesehen sind, die eine geführte Bewegung des Zugmittels innerhalb des Turms, insbesondere auch außerhalb des Turms sicherstellen. Alternativ kann das Zugmittel auch frei laufen oder zumindest abschnittsweis in einem Führungsrohr. Dies ermöglicht es, das Zugmittel nicht nur im wesentlichen vertikal im Turm laufen zu lassen, sondern auch in einer anderen Ebene. Z.B. kann der Motor/Generator bzw. die Elektromaschine uferseitig in einem Maschinenhaus angeordnet sein und mit einer oder mehreren zugeordneten Energieerzeugungsvorrichtungen über Stromleitungen verbunden sein. Das Zugmittel (Kette, Seil) läuft vom Ufer in das Meer und dort über eine Umlenkrolle zu dem oder den Auftriebskörpern laufen. Dabei kann das Zugmittel, z.B. flaschenzugartig, über mehrere Rollen geführt sein, um es definiert umzulenken respektive zu führen
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen, sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen turmartig ausgeführten Energiespeichereinrichtung nebst Stromerzeugungskomponenten einer Windenergieerzeugungseinrichtung,
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2 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäße Offshore-Energieerzeugungseinrichtung mit integrierter Energiespeichereinrichtung,
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3 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Energiespeichereinrichtung als „stand-alone“-Anordnung in Verbindung mit mehreren separat angeordneten Offshore-Energieerzeugungseinrichtungen.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Energiespeichereinrichtung 1, umfassend einen Turm 2, der in einem Gewässer 3, beispielsweise dem Meer oder einem See, auf Grund montiert ist. Die Energiespeichereinrichtung 1 umfasst einen Auftriebskörper 4, hier in Form eines nach unten offenen Gefäßes, alternativ auch als Ballon ausführbar, der über ein Antriebsmittel 5 aktiv vertikal nach unten bewegt werden kann, um durch Veränderung seiner Lage Energie einzuspeichern, der aber auch, wenn Energie zurückgewonnen werden soll, nach oben steigen kann, worüber das Antriebsmittel wiederum betätigt wird, um Energie zu erzeugen.
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Zu diesem Zweck verfügt das Antriebsmittel 5 über eine Elektromaschine 6, beispielsweise in Form einer üblichen Drehstromasynchronmaschine, die sowohl als Motor, als auch als Generator betrieben respektive geschaltet werden kann. Ihr nachgeschaltet ist ein Übersetzungsgetriebe 7, dem wiederum eine Rolle 8 folgt, auf die und von welcher ein Zugmittel 9, beispielsweise ein Stahlseil, gewickelt werden kann. Die Rolle 8 ist über eine Bremse 10 festbremsbar, um sie in ihrer Position zu halten.
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Ersichtlich läuft das Zugmittel 9 im Inneren des Turms 2 zum Auftriebskörper 4, der am Zugmittel 9 hängt. Das Zugmittel 9 kann sich dabei in mehrere einzelne Abschnitte verzweigen, so dass mehrere Auftriebskörper 4, wie durch den zweiten, gestrichelt gezeigten Auftriebskörper dargestellt, über ein gemeinsames Zugmittel 9 bewegt werden können.
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Das Zugmittel 9 läuft über mehrere Rollen 11. Es kann über nicht näher gezeigte weitere Rollen im Inneren des Turms 2 auch flaschenzugartig mehrfach umgelenkt werden.
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Wird die Elektromaschine 6 als Motor betrieben, so treibt sie über das Getriebe 7 die Wickelrolle 8 an. Das Zugmittel 9 wird aufgewickelt, mithin also aus dem Turm 2 nach oben gezogen, was dazu führt, dass der oder die Auftriebskörper 4 nach unten gezogen werden. Es wird also Energie in das System eingebracht und in Form der geänderten Position des Auftriebskörpers gespeichert. Nach Erreichen einer bestimmten Position wird die Rolle 8 über die Bremse arretiert.
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Soll der Energiespeichereinrichtung 1 Energie entzogen und wieder in elektrische Energie umgewandelt werden, so wird die Elektromaschine 6 als Generator geschaltet. Die Bremse 10 wird gelöst. Der oder die Auftriebskörper 4 wandern nach oben und wickeln dabei das Zugmittel 9 von der Rolle 8 ab. Die Rollenrotation wird über das Getriebe 7 übersetzt, so dass es zu einer stark übersetzten Rotation des Rotors der als Generator geschalteten Elektromaschine 6 kommt, worüber wiederum elektrische Energie erzeugt wird.
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Die Energiespeichereinrichtung 1 dient dazu, überschüssige Energie, die seitens eines Energieerzeugers wie einer Windkraftanlage oder ähnlichem bereitgestellt wird, oder die im Netz vorhanden ist, temporär zu speichern, um das Netz respektive die netzseitig vorhandene Energie zu regulieren. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind exemplarisch als Prinzipdarstellung die Komponenten einer Offshore-Energieerzeugungseinrichtung 12, also einer seeseitig zu verbauenden Windkraftanlage gezeigt. Dargestellt ist ein Rotor 13, der über ein Getriebe 14 einen Generator 15 antreibt. Bei diesem kann es sich beispielsweise um einen doppelt gepulsten Induktionsgenerator oder einen Vollumrichter oder ähnliches handeln. Ihm nachgeschaltet gezeigt sind lediglich exemplarisch einige Komponenten der Leistungselektronik 16, umfassend einen Gleichrichter 17 und einen Wechselrichter 18 sowie einen Konverter 19. Gezeigt ist ferner eine Übergabeschnittstelle 20 zum Energieversorgungsnetz 21, in das grundsätzlich die über den Generator 15 erzeugte Energie gespeist wird.
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Wie 1 zeigt, ist im gezeigten Ausführungsbeispiel die Elektromaschine 6 der Energiespeichereinrichtung 1 mit dem Konverter 19 verbunden, worüber dargestellt werden soll, dass ganz grundsätzlich die Möglichkeit besteht, die seitens der Energieerzeugungseinrichtung 12 erzeugte Energie auch der Energiespeichereinrichtung 1 zuzuführen. An dieser Stelle nochmals der Hinweis, dass es sich hierbei lediglich um eine reine Prinzip-Funktionsdarstellung handelt. Die konkrete technische sowie insbesondere elektronische Ausgestaltung ist selbstverständlich wesentlich komplexer.
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Wird nun seitens der Energieerzeugungseinrichtung 12 Strom erzeugt, der überschüssig ist, mithin also momentan kein Bedarf für die erzeugte Energiemenge vorhanden ist, so wird diese nicht ins Netz 21 eingespeist, sondern wird über eine geeignete Umschalteinrichtung der Energiespeichereinrichtung 1 zugeführt. Innerhalb dieser ist – selbstverständlich über eine geeignete Steuerelektronik etc. – die Elektromaschine 6 in den Motorbetrieb geschaltet. Die zugeführte überschüssige Energie speist nun die Elektromaschine 6, die als Motor das Übersetzungsgetriebe 7 und über dieses die Rolle 8 antreibt. Auf die Rolle 8 wird nun das Zugmittel 9 aufgewickelt. Es wird also nach oben gezogen, die Auftriebskörper 4 werden nach unten gezogen. Dies geschieht so lange, bis die zugeführte überschüssige Energie abgebaut ist oder bis der Energiespeicher „voll“ ist, mithin also die Auftriebskörper 4 die tiefstmögliche Position erreicht haben. Die Rolle 8 wird festgebremst, der Speicher ist „geladen“.
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Soll nun aus welchen Gründen auch immer der Speicher wieder „entladen“ werden, so wird die Elektromaschine auf Generatorbetrieb umgeschaltet und die Bremse 10 löst die Rolle 8. Dies führt dazu, dass die Auftriebskörper 4 nach oben streben, das Zugmittel 9 wird von der Rolle 8 abgewickelt. Die Rollendrehung wird über das Übersetzungsgetriebe übersetzt, es kommt zu einer Rotorrotation des Elektromaschinenrotors, so dass Strom erzeugt wird.
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Dieser kann nun unterschiedlich genutzt werden. Zum einen kann er je nach Verschaltung respektive Anbindung in das Versorgungsnetz 21 eingespeist werden. Denkbar ist es aber auch, ihn zum Unterstützungsbetrieb der Energieerzeugungseinrichtung 12 zu nutzen, beispielsweise um den Rotor 13 anzudrehen, wozu der Generator 15 beispielsweise kurzzeitig in einen Motorbetrieb geschaltet wird, oder wozu ein zusätzlicher Antriebsmotor vorgesehen ist, der hier nicht gezeigt ist. Denkbar wäre es auch, diese zurückgewonnene Energie zum Verstellen der einzelnen Blätter des Rotors 13 zu nutzen, also ihre Winkelposition zu variieren etc.
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Während 1 eine Funktionsdarstellung ist, die die Energiespeichereinrichtung 1 ohne konkrete bautechnische Anbindung darstellt, zeigt 2 eine Ausgestaltung, bei der die Energiespeichereinrichtung 1 Teil einer Offshore-Energieerzeugungseinrichtung 12 ist. Die Energieerzeugungseinrichtung 12 verfügt über eine Windturbinenanordnung 22 umfassend den bereits beschriebenen Rotor 13, das Getriebe 14, den Generator 15 etc., wobei in 2 nur einige der Komponenten gezeigt sind. In der Einhausung 23 der Windturbinenanordnung 22 befinden sich aber auch die wesentlichen Komponenten der Energiespeichereinrichtung 1, nämlich die Elektromaschine 6, das Übersetzungsgetriebe 7, die Rolle 8 sowie die Bremse 10. Über die Rolle 8 läuft auch hier das Zugseil 9 durch den Turm 2, der hier der zentrale Turm der Energieerzeugungseinrichtung 12 ist, nach unten und ist über Umlenkrollen 11 mit dem Auftriebskörper 4, hier in Form eines Ballons, verbunden.
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Bei dieser Erfindungsausgestaltung wird also die überschüssige, vom Generator 15 erzeugte Energie unmittelbar der Elektromaschine 6 zugeführt, nachdem diese quasi ein integraler Teil der Energieerzeugungseinrichtung 12 ist respektive in deren Windturbinenanordnung 22 aufgenommen ist. In umgekehrter Weise wird über die Elektromaschine 6 erzeugte Energie beim Entladen des Energiespeichers wiederum direkt seitens der Energieerzeugungseinrichtung 12 erzeugt und dort auch entweder unmittelbar genutzt oder über deren Netzanbindung (selbstverständlich ist die Energieerzeugungseinrichtung 12 mit einem Versorgungsnetz gekoppelt) eingespeist. Die grundsätzliche Funktion hinsichtlich der Energieeinspeicherung sowie der Energierückgewinnung ist die gleiche wie in Bezug auf 1 beschrieben.
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3 zeigt schließlich eine Ausgestaltung, bei der die Energiespeichereinrichtung 1 Teil eines mehrere, im gezeigten Beispiel exemplarisch vier separate Offshore-Energieerzeugungseinrichtungen 12 umfassenden Windparks ist. Die Energieerzeugungseinrichtungen 12 erzeugen jeweils separat Strom, der in das Energieversorgungsnetz 21 eingespeist werden kann. An diesem hängt auch die Energiespeichereinrichtung 1, die hier also dezentral zu den einzelnen Energieerzeugungseinrichtungen 12 ist. Soll nun zum „Glätten“ etwaiger Überkapazitäten die überschüssige Energie gespeichert werden, so entzieht die Energiespeichereinrichtung 1 die bereitgestellte überschüssige Energie quasi dem Versorgungsnetz 21 respektive, sofern die einzelnen Erzeugungseinrichtungen 12 zu einer windparkseitigen geschlossenen Gruppe geschaltet sind, dem internen Netz, das mit dem externen Energieversorgungsnetz natürlich gekoppelt ist. Durch entsprechendes Herunterziehen der einzelnen Auftriebskörper 4 wird die Energie wiederum gespeichert. In der bereits beschriebenen Weise kann sie der Energiespeichereinrichtung 1 auch wieder entzogen werden, wobei sie dann je nach Verschaltung einer oder mehreren der einzelnen Erzeugungseinrichtungen 12 zugeführt werden kann, oder wiederum in das Versorgungsnetz eingespeist werden kann.
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Abschließend nochmals der Hinweis, dass es sich bei den gezeichneten Beispielen lediglich um Funktionsskizzen, also um reine Prinzipdarstellungen handelt, in denen lediglich exemplarisch einige Elemente der jeweiligen Einrichtungen, sei es der Energiespeichereinrichtung, sei es die Erzeugungseinrichtungen gezeigt sind, insbesondere soweit Elemente der Leistungselektronik betroffen sind. Es versteht sich von selbst, dass eine entsprechende Einrichtung natürlich eine Reihe einrichtungs- und funktionsspezifischer Komponenten umfasst, was dem Fachmann jedoch hinreichend bekannt ist. Dies gilt sowohl hinsichtlich mechanischer Komponenten wie Wellen, Achsen, Kupplungen, Lager etc., z.B. als Teile des Antriebsmittels bzw. zur mechanischen Verbindung relevanter Elemente, als auch etwaiger hydraulischer, pneumatischer, elektrischer oder elektromechanischer Komponenten. Auch kann als Energieerzeugungseinrichtung statt einer oder mehrerer Windkraftanlagen z.B. ein Strömungs- oder Wellenkraftwerk vorgesehen sein, das ebenfalls temporär überschüssige Energie erzeugt, die mittels der Auftriebskörper-Speichereinrichtung temporär gespeichert werden kann. Ferner muss der Auftriebskörper nicht als Unter-Wasser-Körper ausgeführt bzw. angeordnet sein, es kann auch ein atmosphärischer Auftriebskörper, z.B. als Heliumballon sein. Auch muss kein Turm vorgesehen sein, vielmehr kann das Zugelement auch von einem uferseitig angeordneten Maschinenhaus, in dem Motor/Generator oder Elektromaschine etc. angeordnet ist, in ein benachbartes Gewässer laufen und um eine Umlenkrolle geführt zum Auftriebskörper (der grundsätzlich natürlich auch sowohl als Überwasser- als auch als Unterwasser-Körper in beiden Medien beim Einspeichern und Zurückgewinnen bewegt werden kann, was z.B. mit einem Heliumballon ohne weiteres möglich ist) laufen.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
