DE102018125238A1

DE102018125238A1 - Wind turbine for the generation and buffering of electrical energy, module and module system

Info

Publication number: DE102018125238A1
Application number: DE102018125238.2A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-10-12
Filing date: 2018-10-12
Publication date: 2020-04-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage (1) zur Erzeugung elektrischer Energie, umfassend eine über ein Windrad (4) antreibbare Generatoreinheit (6). Weiterhin umfasst die Windkraftanlage (1) eine erste Wandlereinheit (7) zur Erzeugung eines Prozessgases mittels durch die Generatoreinheit (6) erzeugte elektrische Energie und eine zweite Wandlereinheit (8) zur Erzeugung von elektrischer Energie unmittelbar aus dem Prozessgas, wobei mindestens einem Gasspeicher (9) zur Aufnahme des Prozessgases, wobei der Gasspeicher (9) als Niederdruck-Gasspeicher (9) ausgebildet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Modul und ein Modulsystem insbesondere zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage.The invention relates to a wind power plant (1) for generating electrical energy, comprising a generator unit (6) which can be driven by a wind wheel (4). The wind power plant (1) further comprises a first converter unit (7) for generating a process gas by means of electrical energy generated by the generator unit (6) and a second converter unit (8) for generating electrical energy directly from the process gas, at least one gas store (9 ) for receiving the process gas, the gas store (9) being designed as a low-pressure gas store (9). Furthermore, the invention relates to a module and a module system, in particular for use in a wind power plant according to the invention.

Description

Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage zur Erzeugung und Pufferung von elektrischer Energie, ein in einer derartigen Anlage verwendbares Modul sowie ein Modulsystem.The invention relates to a wind power plant for generating and buffering electrical energy, a module that can be used in such a plant, and a module system.

Die Windkraft spielt bei der Umsetzung der Energiewende eine erhebliche Rolle, wobei ein großer Teil der erneuerbaren Energie aus Windkraftanlagen gewonnen wird. Der Nachteil der Windkraft und anderer erneuerbarer Energien, wie beispielsweise Sonnenenergie, ist deren Unstetigkeit. Bei starkem Wind wird sehr viel Strom erzeugt (teilweise sogar zu viel), bei Flaute überhaupt keiner. Auch treten kurzfristige Schwankungen auf, die durch Netzbetreiber und Energieerzeuger ständig ausgeglichen werden müssen. Dies führt zu erhöhten Anforderungen an das Netzmanagement sowie an die Dimension des Energienetzes. Auch müssen unterschiedlich reaktionsschnelle konventionelle Reservekraftwerke betrieben werden, um längere Phasen überbrücken zu können, in denen weniger erneuerbare Energie produziert wird. Eine Lösung dieses Problems ist eine Pufferung der Schwankung der Energieerzeugung vor Ort durch eine möglichst dezentrale und dynamische Energiespeicherung.Wind power plays a significant role in the implementation of the energy transition, with a large part of the renewable energy coming from wind power plants. The disadvantage of wind power and other renewable energies, such as solar energy, is their discontinuity. A lot of electricity is generated in strong winds (sometimes even too much), and none at all when the wind is calm. There are also short-term fluctuations that have to be constantly compensated for by network operators and energy producers. This leads to increased demands on the network management and the dimension of the energy network. Conventional power plants with different responses must also be operated in order to be able to bridge longer phases in which less renewable energy is produced. One solution to this problem is to buffer the fluctuation in energy generation on site by means of decentralized and dynamic energy storage.

Diese kann (jeweils für eine gewisse Zeit) selbst Energie aufnehmen, wenn das Netz weniger aufnehmen kann und noch eine gewisse Zeit Energie abgeben, wenn eigentlich keine Energie mehr durch beispielsweise Wind erzeugt wird. Dies führt zu stabileren Stromabgaben in das Netz, was das Netzmanagement deutlich vereinfacht. Auch wird die Reaktionszeit verlängert, mit der Reservekraftwerke gestartet werden müssen. Die modulare und dezentrale Energiespeicherung ist daher der Schlüssel für den Erfolg und den weiteren Ausbau der erneuerbaren Energien.This can itself (for a certain time) absorb energy when the network can absorb less and still give off energy for a certain time when no more energy is actually generated by wind, for example. This leads to more stable electricity deliveries to the network, which significantly simplifies network management. The response time with which reserve power plants have to be started is also extended. Modular and decentralized energy storage is therefore the key to the success and further expansion of renewable energies.

Der Bau möglichst dezentraler Energiespeicher entlastet das Netz, führt aber zu mehr Kosten pro Energie für den Bau und den Betrieb der Speicher und benötigt Platz, der gerade bei Windparks nicht immer gegeben ist. Eine Lösung dieses Problems ist die Verwendung der Türme und Fundamente von Windkraftanlagen als Ort der dezentralen Gasspeicherung der durch die Anlage gewonnenen Energie.The construction of energy storage facilities that are as decentralized as possible relieves the strain on the network, but leads to more costs per energy for the construction and operation of the storage facilities and requires space, which is not always available, particularly in wind farms. One solution to this problem is to use the towers and foundations of wind turbines as the location for the decentralized gas storage of the energy generated by the system.

Das deutsche Gebrauchsmuster DE 20 2012 006 146 U1 offenbart eine turmförmige Windkraftanlage zur Erzeugung elektrischer Energie mit einem Windrad und einem Generator, der neben einem Kompressor zur Erzeugung von Druckluft auch eine Elektrolysevorrichtung zur Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff antreibt. Weiterhin wird ein Energieerzeugungsbetrieb offenbart, bei dem die in der Druckluft gespeicherte Energie durch einen Drehmomenterzeuger in Rotationsenergie gewandelt und über eine Achse an den Generator übertragen wird, der wiederum elektrische Energie erzeugt. Der Druck im Druckluftspeicher wird neben der Verwendung eines Kompressors auch aufgrund einer thermischen Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt.The German utility model DE 20 2012 006 146 U1 discloses a tower-shaped wind power plant for generating electrical energy with a wind turbine and a generator which, in addition to a compressor for generating compressed air, also drives an electrolysis device for splitting water into hydrogen and oxygen. Furthermore, an energy generation operation is disclosed in which the energy stored in the compressed air is converted into rotational energy by a torque generator and is transmitted via an axis to the generator, which in turn generates electrical energy. In addition to the use of a compressor, the pressure in the compressed air reservoir is also generated due to a thermal reaction of hydrogen and oxygen.

Der Nachteil hieran ist, dass die verschiedenen Systeme und der Aufbau sehr komplex sind und der Druckluftspeicher unterhalb der Windkraftanlage angeordnet ist, was den Bau einer solchen Anlage sehr aufwendig macht und dazu führt, dass der Gasspeicher nicht nachträglich in eine bereits bestehende Windkraftanlage integriert werden kann.The disadvantage of this is that the various systems and structures are very complex and the compressed air reservoir is located below the wind turbine, which makes the construction of such an installation very complex and means that the gas reservoir cannot be subsequently integrated into an existing wind turbine .

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Windkraftanlage mit einem Energiespeicher bereitzustellen, der kosteneffizient und in bestehende Windkraftanlagen nachrüstbar ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Modul und ein Modulsystem zur effektiven Zwischenspeicherung von Energie, insbesondere für den Einsatz in Verbindung mit Windkraftanlagen, zu schaffen.The object of the present invention is to provide a wind power plant with an energy store which is cost-efficient and can be retrofitted in existing wind power plants. Another object of the invention is to provide a module and a module system for the effective temporary storage of energy, in particular for use in connection with wind power plants.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Vorrichtungen mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen und Varianten der Erfindung.This object is achieved by the devices with the features of the independent claims. The subclaims relate to advantageous developments and variants of the invention.

Eine erfindungsgemäße Windkraftanlage zur Erzeugung elektrischer Energie umfasst eine über ein Windrad antreibbare Generatoreinheit, eine erste Wandlereinheit zur Erzeugung eines Prozessgases aus elektrischer Energie und eine zweite Wandlereinheit zur Erzeugung von elektrischer Energie unmittelbar aus dem Prozessgas. Weiterhin umfasst die Windkraftanlage mindestens einen Gasspeicher zur Aufnahme des Prozessgases, wobei der Gasspeicher als Niederdruck-Gasspeicher ausgebildet ist. Dabei kann die elektrische Energie zur Herstellung des Prozessgases insbesondere durch die Generatoreinheit erzeugt werden, beispielsweise in Fällen, in denen das Netz zum fraglichen Zeitpunkt keine Elektrizität aufnehmen kann. Es ist ebenso denkbar, zur Erzeugung des Prozessgases überschüssige elektrische Energie aus dem Stromnetz zu verwenden.A wind power plant according to the invention for generating electrical energy comprises a generator unit which can be driven by a wind wheel, a first converter unit for generating a process gas from electrical energy and a second converter unit for generating electrical energy directly from the process gas. Furthermore, the wind power plant comprises at least one gas store for receiving the process gas, the gas store being designed as a low-pressure gas store. The electrical energy for producing the process gas can in particular be generated by the generator unit, for example in cases in which the network cannot absorb electricity at the time in question. It is also conceivable to use excess electrical energy from the power grid to generate the process gas.

Die durch den Generator erzeugte überschüssige elektrische Energie, also die Energie, die zum Zeitpunkt der Erzeugung im Netz nicht benötigt wird, kann über die erste Wandlereinheit in das Prozessgas umgewandelt werden und in einem in der Windkraftanlage befindlichen Gasspeicher zwischengelagert werden. Wird im Netz wieder mehr Energie benötigt, als der Generator aktuell liefern kann, so kann die in Form des Prozessgases gespeicherte Energie durch die zweite Wandlereinheit wieder in elektrische Energie umgewandelt werden und in das Netz eingespeist werden. Ein Niederdruck-Gasspeicher hat dabei den Vorteil, dass er im Gegensatz zu Hochdruckspeichern ein relativ geringes Gewicht und einen anpassbaren einfachen Aufbau besitzt und daher auch leicht bei bestehenden Windkraftanlagen nachträglich eingebaut werden kann, ohne deren Statik nennenswert zu beeinträchtigen.The excess electrical energy generated by the generator, that is to say the energy which is not required in the network at the time of generation, can be converted into the process gas via the first converter unit and temporarily stored in a gas storage unit located in the wind turbine. If more energy is required in the network than the generator can currently supply, the energy stored in the form of the process gas can be converted into electrical energy again by the second converter unit and fed into the network. A low pressure Gas storage has the advantage that, in contrast to high-pressure storage, it has a relatively low weight and an adaptable, simple structure, and can therefore also be easily retrofitted to existing wind turbines without significantly impairing their statics.

Der Gasspeicher kann beispielsweise mindestens teilweise im Inneren eines Turms oder einer Gondel der Windkraftanlage angeordnet sein. Dies hat den Vorteil, dass der Gasspeicher durch die Außenhülle des Turms der Windkraftanlage gegen Witterungseinflüsse geschützt ist. Weiterhin wird dadurch kein zusätzlicher Bauraum außerhalb der Windkraftanlage benötigt und ein Nachrüsten der Gasspeicher in bestehende Anlagen ist möglich.The gas storage device can, for example, be arranged at least partially in the interior of a tower or a nacelle of the wind turbine. This has the advantage that the gas storage is protected against the weather by the outer shell of the tower of the wind turbine. Furthermore, this means that no additional installation space is required outside of the wind power plant and the gas storage can be retrofitted in existing plants.

Daneben kann der Gasspeicher als ballonartiger Körper ausgebildet sein.In addition, the gas storage device can be designed as a balloon-like body.

Die Wandung des ballonartigen Körpers kann beispielsweise elastisch ausgebildet sein. Durch die ballonartige Form und die Elastizität kann sich der Gasspeicher beim Befüllen ausdehnen und so den Raum optimal ausnutzen. Es ist durch die Elastizität sogar denkbar, dass sich Gasspeicher an die Innenwände des Turms der Windkraftanlage anschmiegt, wobei die Turminnenseite dazu so angepasst werden muss, dass durch das Anschmiegen der Gasspeicher nicht beschädigt werden kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass bei einer Wartung der Windkraftanlage die Gasspeicher entleert werden können und so den Raum im Turm freigeben. Die vorhandenen Leitern oder Aufzüge, um die Gondel zu erreichen können ohne nennenswerte Beeinträchtigung durch den Gasspeicher verwendet werden. Während des Betriebes kann der Raum dann wieder durch die Gasspeicher gefüllt werden.The wall of the balloon-like body can for example be elastic. Due to the balloon-like shape and the elasticity, the gas storage device can expand when it is filled, thus making optimal use of the space. Due to the elasticity, it is even conceivable that the gas storage device nestles against the inner walls of the tower of the wind turbine, the inside of the tower having to be adapted so that the gas storage device cannot be damaged by the fitting. Another advantage is that when the wind turbine is being serviced, the gas stores can be emptied and thus free up the space in the tower. The existing ladders or elevators to reach the gondola can be used without any significant impairment from the gas storage. The room can then be filled again through the gas storage during operation.

In einer Variante der Erfindung kann der Gasspeicher doppelwandig ausgeführt sein. Eine doppelte Wandung, die als Hülle ausgebildet sein kann, hat den Vorteil, dass eine Verletzung der äußeren Wandung nicht zu einem Austritt des Prozessgases führt. Dies führt vorteilhafterweise zu einer erhöhten Sicherheit, die auch die Verwendung eines höheren Betriebsdrucks und damit einer Vergrößerung des Volumens des Gasspeichers ermöglichen kann.In a variant of the invention, the gas storage can be double-walled. A double wall, which can be designed as a shell, has the advantage that an injury to the outer wall does not lead to an escape of the process gas. This advantageously leads to increased safety, which can also allow the use of a higher operating pressure and thus an increase in the volume of the gas storage.

Insbesondere kann eine Mehrzahl von Gasspeichern vorhanden sein. Dies hat den Vorteil, dass mehrere ballonartige Gasspeicher in dem Turm und/oder der Gondel der Windkraftanlage angeordnet werden können und der Raum optimal ausgenutzt werden kann. Das Prozessgas kann an einer zentralen Stelle oder in der Nähe der Windkraftanlage erzeugt werden und über Leitungen in die verschiedenen Gasspeicher verteilt werden. Bei Bedarf kann das Prozessgas über dieselbe oder eine zweite Leitung der zweiten Wandlereinheit zugeführt werden.In particular, a plurality of gas stores can be present. This has the advantage that several balloon-like gas stores can be arranged in the tower and / or the nacelle of the wind power plant and the space can be optimally used. The process gas can be generated at a central location or in the vicinity of the wind turbine and can be distributed to the various gas stores via lines. If required, the process gas can be supplied to the second converter unit via the same or a second line.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die erste Wandlereinheit als Elektrolyseeinheit ausgebildet sein. Die durch die elektrische Energie angetriebene Elektrolyseeinheit erzeugt das Prozessgas, welches dann in den Gasspeichern gespeichert wird.In a further embodiment of the invention, the first converter unit can be designed as an electrolysis unit. The electrolysis unit driven by the electrical energy generates the process gas, which is then stored in the gas stores.

Zur Rückwandlung des Prozessgases in elektrische Energie kann die zweite Wandlereinheit beispielsweise als Brennstoffzelle ausgebildet sein. Es ist auch die Verwendung einer reversiblen Brennstoffzelle denkbar, wobei diese dabei die Funktion der ersten Wandlereinheit und der zweiten Wandlereinheit übernehmen kann.To convert the process gas back into electrical energy, the second converter unit can be designed, for example, as a fuel cell. It is also conceivable to use a reversible fuel cell, in which case it can take over the function of the first converter unit and the second converter unit.

In einer Variante der Erfindung können die beiden Wandlereinheiten und der Gasspeicher zusammen mit einer Modulsteuer- und/oder Regelungseinheit eine modulare Energiespeichereinheit bilden. Die Modulsteuer- und/oder Regelungseinheit steuert und/oder regelt die Erzeugung und Speicherung des Prozessgases beziehungsweise die Erzeugung von elektrischer Energie aus dem Prozessgas. Die Gasspeicher können zur Überwachung der Füllmenge einen Drucksensor umfassen, der ebenfalls mit der Modulsteuer- und/oder Regelungseinheit verbunden sein kann. Weitere für den Betrieb notwendige Funktionen, wie beispielsweise die Überwachung von Leckagen der Gasspeicher, Kommunikation mit den für die Einspeisung in das Netz verantwortlichen Steuergeräten und der Windkraftanlage an sich können durch die Modulsteuer- und/oder Regelungseinheit ausgeführt werden.In a variant of the invention, the two converter units and the gas storage can form a modular energy storage unit together with a module control and / or regulation unit. The module control and / or regulating unit controls and / or regulates the generation and storage of the process gas or the generation of electrical energy from the process gas. To monitor the filling quantity, the gas stores can comprise a pressure sensor, which can also be connected to the module control and / or regulating unit. Further functions necessary for operation, such as monitoring leakages in the gas storage, communication with the control units responsible for feeding into the network and the wind power plant itself can be carried out by the module control and / or regulating unit.

Insbesondere kann eine Mehrzahl von Energiespeichereinheiten vorhanden sein. Dies hat den Vorteil, dass das Prozessgas direkt am Gasspeicher erzeugt wird und auch wieder verbraucht wird. Dadurch ist keine Gasleitung zwischen mehreren Gasspeichern notwendig, was die Infrastruktur der Anlage vereinfacht und so die Herstellkosten vorteilhaft reduziert. Ein weiterer Vorteil ist es, dass die modularen Energiespeichereinheiten einfach an jede Größe von Windkraftanlagen angepasst werden können. Je nach Bedarf kann eine weitere Energiespeichereinheit ergänzt werden. Die Kapazität der Umwandlung von elektrischer Energie in Prozessgas und umgekehrt kann durch ein Parallel- und Serienschalten der einzelnen Energiespeichereinheiten optimal angepasst werden, was den Wirkungsgrad der Windkraftanlage vorteilhaft erhöht.In particular, a plurality of energy storage units can be present. This has the advantage that the process gas is generated directly at the gas storage and is also used up again. This means that there is no need for a gas line between several gas stores, which simplifies the infrastructure of the system and thus advantageously reduces the manufacturing costs. Another advantage is that the modular energy storage units can be easily adapted to any size of wind turbine. A further energy storage unit can be added as required. The capacity of converting electrical energy into process gas and vice versa can be optimally adjusted by connecting the individual energy storage units in parallel and in series, which advantageously increases the efficiency of the wind power plant.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der zur Erzeugung des Prozessgases benötigte Grundstoff in einem zentralen Speicher bereitgestellt werden. Eine Anordnung des zentralen Speichers am Fuß des Turms ist aus Gründen der Statik bevorzugt, wobei hierbei zusätzlich die Möglichkeit gegeben ist, den Speicher auch außerhalb der Windkraftanlage anzuordnen. Es ist aber prinzipiell auch denkbar den zentralen Speicher des Grundstoffes in der Gondel oder eine andere geeignete Stelle in der Windkraftanlage anzuordnen. Sind mehrere Windkraftanlagen in unmittelbarer Umgebung angeordnet, wie dies in sogenannten Windparks häufig der Fall ist, kann auch ein zentraler Grundstoffspeicher mit einer Verteilung über Leitungen zu den einzelnen Windkraftanlagen eine vorteilhafte Lösung sein.In a further embodiment of the invention, the basic material required for generating the process gas can be provided in a central memory. An arrangement of the central store at the foot of the tower is preferred for reasons of statics, in which case there is also the possibility of also arranging the store outside the wind turbine. But it is in principle it is also conceivable to arrange the central storage of the base material in the nacelle or another suitable location in the wind turbine. If several wind power plants are arranged in the immediate vicinity, as is often the case in so-called wind farms, a central raw material store with distribution via lines to the individual wind power plants can also be an advantageous solution.

Daneben kann auch die Energiespeichereinheit einen Grundstoffspeicher für den zur Erzeugung des Prozessgases benötigten Grundstoff umfassen. Dies würde die Modularität der Energiespeichereinheiten weiter erhöhen und die Anzahl an Verbindungsleitungen vorteilhaft reduzieren.In addition, the energy storage unit can also include a basic material storage for the basic material required for generating the process gas. This would further increase the modularity of the energy storage units and advantageously reduce the number of connecting lines.

In einer Variante der Erfindung kann eine zentrale Steuer- und Regelungseinheit zur Regelung der Erzeugung des Prozessgases und der elektrischen Energie eingerichtet sein. Diese kann sowohl mit den modularen Energiespeichereinheiten als auch mit einer zentralen Erzeugung von Prozessgas und elektrischer Energie und der Verteilung des Prozessgases auf mehrere Gasspeicher verwendet werden. Eine zentrale Steuer- und Regelungseinheit hat den Vorteil, dass beispielsweise die Kommunikation zwischen den Energiespeichereinheiten reduziert werden kann und diese bei Störungen einfacher zugänglich sind. Dabei kann die zentrale Steuereinheit dazu eingerichtet sein, mit einem Netzbetreiber, den Generatoren und den einzelnen Modulen zu kommunizieren, um daraus das gewünschte Verhalten der einzelnen Module zu berechnen, welches an die einzelnen Modulsteuereinheiten gesendet wird.In a variant of the invention, a central control and regulating unit can be set up to regulate the generation of the process gas and the electrical energy. This can be used both with the modular energy storage units as well as with a central generation of process gas and electrical energy and the distribution of the process gas to several gas stores. A central control and regulation unit has the advantage that, for example, communication between the energy storage units can be reduced and that they are more easily accessible in the event of faults. The central control unit can be set up to communicate with a network operator, the generators and the individual modules in order to calculate the desired behavior of the individual modules, which is sent to the individual module control units.

Insbesondere kann das Prozessgas Wasserstoff und der Grundstoff Wasser sein. Wasser eignet sich als Grundstoff sehr gut, da es leicht verfügbar ist und sich durch Elektrolyse in Wasserstoff und Sauerstoff aufspalten lässt. Der Wasserstoff kann in den Gasspeichern gelagert werden und mit einer Brennstoffzelle effizient und sauber in elektrische Energie umgewandelt werden. Prinzipiell gibt es auch andere Speichermedien wie beispielsweise Ethanol oder Methanol, wobei der Wirkungsgrad zur Erzeugung des Ethanol und Methanol deutlich geringer als der von Wasserstoff als Prozessgas ist. Je nach Zusammensetzung des Grundstoffes können Vorkehrungen getroffen werden den Grundstoffspeicher gegebenenfalls zu kühlen oder zu beheizen.In particular, the process gas can be hydrogen and the raw material water. Water is very suitable as a raw material because it is readily available and can be split into hydrogen and oxygen by electrolysis. The hydrogen can be stored in the gas storage and can be efficiently and cleanly converted into electrical energy using a fuel cell. In principle, there are also other storage media such as ethanol or methanol, whereby the efficiency for producing ethanol and methanol is significantly lower than that of hydrogen as a process gas. Depending on the composition of the raw material, precautions can be taken to cool or heat the raw material storage, if necessary.

Die Erfindung kann insbesondere auch dadurch verwirklicht werden, dass eine modulare, skalierbare Lösung, beispielsweise zur Nachrüstung bestehender Anlagen geschaffen wird. Ein entsprechendes Modul zur Umwandlung und Speicherung elektrischer Energie umfasst eine erste Wandlereinheit zur Erzeugung eines Prozessgases mittels elektrischer Energie, eine zweite Wandlereinheit zur Erzeugung von elektrischer Energie unmittelbar aus dem Prozessgas sowie mindestens einen Gasspeicher zur Aufnahme des Prozessgases, wobei der Gasspeicher als Niederdruck-Gasspeicher ausgebildet ist. Insbesondere kann unter Verwendung des erfindungsgemäßen Moduls ein Modulsystem zur Umwandlung und Speicherung elektrischer Energie geschaffen werden, das mindestens eines der beschriebenen Module sowie eine zentrale Steuer- und Regelungszentrale umfasst.The invention can in particular also be implemented by creating a modular, scalable solution, for example for retrofitting existing systems. A corresponding module for converting and storing electrical energy comprises a first converter unit for generating a process gas by means of electrical energy, a second converter unit for generating electrical energy directly from the process gas and at least one gas store for receiving the process gas, the gas store being designed as a low-pressure gas store is. In particular, using the module according to the invention, a module system for converting and storing electrical energy can be created which comprises at least one of the modules described and a central control and regulation center.

Dabei ermöglichen die oben geschilderten Varianten insbesondere zur Ausbildung des Gasspeichers und der Wandlereinheiten die Schaffung einer situationsangepassten, modularen und skalierbaren Lösung zur Zwischenspeicherung elektrischer Energie, die nicht zwingend auf eine Verwendung in Zusammenhang mit Windkraftanlagen beschränkt sein muss.The variants described above, in particular for the design of the gas storage and the converter units, enable the creation of a modular, scalable solution for the temporary storage of electrical energy, which does not necessarily have to be restricted to use in connection with wind power plants.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele und Varianten der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

1 eine erfindungsgemäße Windkraftanlage,
2 eine Detailansicht einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage und
3 eine weitere Detailansicht der Erfindung.

Exemplary embodiments and variants of the invention are explained in more detail below with reference to the drawing. Show it

1 a wind turbine according to the invention,
2nd a detailed view of a wind turbine according to the invention and
3rd another detailed view of the invention.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Windkraftanlage 1 umfassend einen Turm 2 und eine Gondel 3, an welcher ein Windrad 4 mit Windradflügeln 5 angeordnet ist. Die Windradflügel 5 erzeugen bei Wind ein Drehmoment und treiben mit diesem das Windrad 4 an, welches mit einem Generator 6, der in der Gondel 3 angeordnet ist, verbunden ist und diesen antreibt. Der Generator 6 erzeugt elektrische Energie, die an das Netz, wie beispielsweise ein Stromnetz, abgegeben wird. Das Netz kann vereinfacht dargestellt nur so viel Energie aufnehmen, wie an anderer Stelle auch verbraucht wird. Es kann also dazu kommen, dass die Windkraftanlage elektrische Energie produziert, die vom Netz nicht aufgenommen werden kann. In diesem Fall schaltet die Steuer- und Regelungszentrale 13 der Windkraftanlage 1, die am Fuß des Turms 2 angeordnet ist, aber auch in der Gondel 3 angeordnet sein kann, die vom Generator 6 erzeugte elektrische Energie auf eine erste Wandlereinheit 7, wie beispielsweise eine Elektrolyseeinheit 7, um. Diese erzeugt mit der elektrischen Energie aus einem Grundstoff, wie beispielsweise Wasser, ein Prozessgas, wie beispielsweise Wasserstoff, welches in Gasspeichern 9 gespeichert wird. Die erste Wandlereinheit 7 ist am Fuß des Turms 2 angeordnet, kann aber wahlweise auch in der Gondel 3 angeordnet sein. Der Grundstoff ist in einem Grundstoffspeicher 14 gespeichert der ebenfalls am Fuße des Turms 2 angeordnet ist, aber ebenfalls auch in der Gondel 3 angeordnet sein kann. Das durch die erste Wandlereinheit 7 erzeugte Prozessgas wird über Leitungen, die zur besseren Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind, an mindestens einen Gasspeicher 9, der als Niederdruck-Gasspeicher 9 ausgebildet ist, geleitet und dort gespeichert. Kann das Netz wieder elektrische Energie aufnehmen, wird das Prozessgas einer zweiten Wandlereinheit 8, wie beispielsweise einer Brennstoffzelle, zugeführt, welche die chemische Energie des Prozessgases wieder in elektrische Energie umwandelt. Die elektrische Energie wird wiederum dem Netz zugeführt. Durch diesen Prozess kann eine gewisse Menge an durch die Windkraftanlage 1 erzeugte elektrische Energie vor Ort gepuffert werden und bei Bedarf wieder abgegeben werden ohne das Netz zusätzlich durch einen Transport der überschüssigen elektrischen Energie an einen anderen weiter entfernten Ort zur Speicherung derselben zu belasten. Dabei muss es sich bei den Wandlereinheiten 7 und 8 nicht zwingend um separate Vorrichtungen handeln. Denkbar ist es auch, die Wandlereinheiten 7 und 8 beispielsweise in einem reversiblen System, insbesondere einer reversiblen Brennstoffzelle zu kombinieren. Ebenso kann in demjenigen Fall, in dem die Gasspeicher 9 noch aufnahmefähig sind, auch bei wenig Wind überschüssige Energie im Netz in diesen zwischengespeichert werden. In diesem Fall wird also nicht der vom Generator 6 erzeugte Strom, sondern Strom aus dem Netz in die Wandlereinheit 7 eingespeist. 1 shows a wind turbine according to the invention 1 comprising a tower 2nd and a gondola 3rd on which a wind turbine 4th with wind turbine blades 5 is arranged. The wind turbine blades 5 generate a torque in wind and drive the wind turbine with it 4th which with a generator 6 who is in the gondola 3rd is arranged, connected and drives it. The generator 6 generates electrical energy that is delivered to the grid, such as a power grid. To put it simply, the network can only absorb as much energy as is used elsewhere. So it can happen that the wind turbine produces electrical energy that cannot be absorbed by the grid. In this case, the control center switches 13 the wind turbine 1 that are at the foot of the tower 2nd is arranged, but also in the gondola 3rd can be arranged by the generator 6 generated electrical energy to a first converter unit 7 , such as an electrolysis unit 7 , around. Using electrical energy, this generates a process gas, such as hydrogen, from a base material, such as water, which is stored in gas stores 9 is saved. The first converter unit 7 is at the foot of the tower 2nd arranged, but can also optionally in the gondola 3rd be arranged. The raw material is in a raw material store 14 saved the also at the foot of the tower 2nd is arranged, but also in the gondola 3rd can be arranged. The first converter unit 7 Process gas is generated via lines for better clarity not shown, to at least one gas storage 9 that acts as a low pressure gas storage 9 is trained, directed and stored there. If the network can absorb electrical energy again, the process gas becomes a second converter unit 8th , such as a fuel cell, which converts the chemical energy of the process gas back into electrical energy. The electrical energy is in turn fed into the network. Through this process, a certain amount of through the wind turbine 1 generated electrical energy can be buffered on site and released again if necessary without additionally burdening the network by transporting the excess electrical energy to another, more distant location for storing the same. It must be with the converter units 7 and 8th are not necessarily separate devices. It is also conceivable for the converter units 7 and 8th to combine, for example, in a reversible system, in particular a reversible fuel cell. Likewise, in the case where the gas storage 9 are still receptive, excess energy in the network can be temporarily stored in it even with little wind. In this case, the generator does not 6 generated electricity, but electricity from the network into the converter unit 7 fed.

2 zeigt den unteren Teil des Turms 2 der Windkraftanlage 1 in einer Detailansicht. Am Fuß des Turms 2 ist der Grundstoffspeicher 14, der beispielsweise Wasser speichert, und die Steuerungs- und Regelungszentrale 13 angeordnet. Der Grundstoffspeicher 14 ist über eine Leitung 16, einen sogenannten Wasserbus 16, mit der ersten Wandlereinheit 7 und der zweiten Wandlereinheit 8, die im gezeigten Ausführungsbeispiel in der nicht dargestellten Gondel angeordnet sind, verbunden, so dass der Grundstoff der ersten Wandlereinheit 7 zugeführt und von der zweiten Wandlereinheit 8 wieder zurückgeführt werden kann. Die Steuer- und Regelungszentrale 13 steuert und/oder regelt, ob die durch den ebenfalls nicht dargestellten Generator erzeugte elektrische Energie in das Netz eingespeist wird oder zur Erzeugung von Prozessgas an die erste Wandlereinheit 7 geleitet wird. Ebenso kann durch die Steuer- und Regelungszentrale 13 auch eine Umwandlung von aktuell im Netz vorhandener, überschüssiger elektrischer Energie in Prozessgas veranlasst werden. Die Steuer- und Regelungszentrale 13 ist dazu einerseits mit einem Energiebus 17 verbunden. Der Energiebus 17 leitet die elektrische Energie und verbindet den Generator 6 mit der Wandlereinheit 7 und die Wandlereinheit 8 wie auch gegebenenfalls die Wandlereinheit 7 über einem Anschluss 21 mit dem Stromnetz. Des Weiteren steuert und/oder regelt die Steuerungs- und Regelungszentrale 13 auch die erste 7 und zweite Wandlereinheit 8 sowie die Verteilung des Prozessgases auf die Gasspeicher 9 und die Rückführung des Prozessgases zur zweiten Wandlereinheit 8. Die beiden Wandlereinheiten 7, 8 und die Gasspeicher 9 sind dazu einerseits untereinander über eine Leitung 19 zum Transport des Prozessgases, einem sogenannten Prozessgasbus 19 verbunden. Andererseits werden über einen Steuerbus 18 Steuer- und /oder Regelungssignale der Steuerungs- und Regelungszentrale 13 an die beiden Wandlereinheiten 7,8 und die Gasspeicher 9 übermittelt. Die Verteilung und Zuführung des Prozessgases von und zu den Wandlereinheiten 7, 8 kann beispielsweise über regelbare Ventile realisiert werden. 2nd shows the lower part of the tower 2nd the wind turbine 1 in a detailed view. At the foot of the tower 2nd is the raw material storage 14 , which stores water, for example, and the control center 13 arranged. The raw material store 14 is over a line 16 , a so-called water bus 16 , with the first converter unit 7 and the second converter unit 8th , which in the exemplary embodiment shown are arranged in the nacelle, not shown, connected, so that the base material of the first converter unit 7 fed and from the second converter unit 8th can be returned. The control center 13 controls and / or regulates whether the electrical energy generated by the generator, which is also not shown, is fed into the network or for the generation of process gas to the first converter unit 7 is directed. Likewise, through the control center 13 a conversion of excess electrical energy currently present in the network into process gas can also be initiated. The control center 13 is on the one hand with an energy bus 17th connected. The energy bus 17th conducts the electrical energy and connects the generator 6 with the converter unit 7 and the converter unit 8th as well as the converter unit if necessary 7 over a connection 21 with the power grid. Furthermore, the control center regulates and / or regulates 13 also the first 7 and second converter unit 8th and the distribution of the process gas to the gas storage 9 and the return of the process gas to the second converter unit 8th . The two converter units 7 , 8th and the gas storage 9 are on the one hand via a line 19th for transporting the process gas, a so-called process gas bus 19th connected. On the other hand, via a control bus 18th Control and / or regulation signals of the control center 13 to the two converter units 7,8 and the gas storage 9 transmitted. The distribution and supply of the process gas from and to the converter units 7 , 8th can be implemented, for example, with controllable valves.

3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, in der die erste und zweite Wandlereinheit 7, 8 mit dem Gasspeicher 9 und einer Steuer- und Regelungseinheit 12 eine Energiespeichereinheit 20 bilden. Das so geschaffene Modul wandelt elektrische Energie in Prozessgas um, speichert dieses und wandelt das gespeicherte Prozessgas wieder in elektrische Energie um. Die Steuer- und Regelungseinheit 12 ist über einen Steuerbus 18 mit der in 2 beschriebenen Steuer- und Regelungszentrale 13 verbunden. Die erste und zweite Wandlereinheit 7, 8 sind mit dem Energiebus 17, mit dem Wasserbus 16 und dem Gasspeicher 9 verbunden. Der in 2 dargestellte Prozessgasbus 19 entfällt bei der Verwendung der modularen Energiespeichereinheit 20, die das Prozessgas quasi vor Ort speichert, was eine Vereinfachung der Infrastruktur darstellt und sich vorteilhaft auf die Herstellungskosten auswirkt. Zur Erfassung des Füllgrades und zum Detektieren von möglichen Lecks in der Außenwandung 11 ist ein Drucksensor 15 mit dem Gasspeicher 9 verbunden. Der Gasspeicher 9 hat zudem eine zweite innere Wandung 10, die einen zusätzlichen Schutz gegen Beschädigung des Gasspeichers 9 darstellt. Ein weiterer Schutz zur Detektion von Leckage des Prozessgases in dem Turm 2 der Windkraftanlage 1 können Gaswarner sein, also eine Überwachung des Anteils von Prozessgas in der Umgebungsluft. Der Wasserbus 16 kann für den Fall, dass die Energiespeichereinheit 20 ein Grundstoffspeicher 14 umfasst, ebenfalls eingespart werden. Dies hätte den Vorteil, dass nur noch flexible und leicht zu verlegende Leitungen für elektrische Energie 17 und Steuersignale 18 im Turm verlegt werden müssten, was die Infrastruktur und dadurch die Herstellkosten vorteilhaft reduzieren würde. Die in 2 dargestellte Anordnung mehrerer Gasspeicher 9 ist genauso mit mehreren Energiespeichereinheiten 20 wie in 3 dargestellt vorstellbar. 3rd shows a further embodiment of the invention, in which the first and second converter unit 7 , 8th with the gas storage 9 and a control and regulation unit 12th an energy storage unit 20th form. The module thus created converts electrical energy into process gas, stores it and converts the stored process gas back into electrical energy. The control and regulation unit 12th is via a control bus 18th with the in 2nd described control center 13 connected. The first and second converter units 7 , 8th are on the power bus 17th , with the water bus 16 and the gas storage 9 connected. The in 2nd Process gas bus shown 19th omitted when using the modular energy storage unit 20th , which virtually stores the process gas on site, which simplifies the infrastructure and has a beneficial effect on manufacturing costs. To detect the degree of filling and to detect possible leaks in the outer wall 11 is a pressure sensor 15 with the gas storage 9 connected. The gas storage 9 also has a second inner wall 10th that provide additional protection against damage to the gas storage 9 represents. Another protection for the detection of leakage of the process gas in the tower 2nd the wind turbine 1 can be gas detectors, i.e. monitoring the proportion of process gas in the ambient air. The water bus 16 can in the event that the energy storage unit 20th a raw material store 14 includes, can also be saved. This would have the advantage that only flexible and easy to lay cables for electrical energy 17th and control signals 18th would have to be installed in the tower, which would advantageously reduce the infrastructure and thereby the manufacturing costs. In the 2nd shown arrangement of several gas storage 9 is the same with multiple energy storage units 20th as in 3rd shown imaginable.

BezugszeichenlisteReference list

11: WindkraftanlageWind turbine
22nd: Turmtower
33rd: Gondelgondola
44th: Windradwindmill
5 5: WindradflügelPinwheel blades
66: Generator(einheit)Generator (unit)
77: erste Wandlereinheit, Elektrolyseeinheitfirst converter unit, electrolysis unit
88th: zweite Wandlereinheit, Brennstoffzellesecond converter unit, fuel cell
99: GasspeicherGas storage
1010th: Innere Wandung GasspeicherInner wall of gas storage
1111: Außenwandung GasspeicherExternal wall of gas storage
1212th: Steuer- und RegelungseinheitControl and regulation unit
1313: Steuer- und RegelungszentraleControl and regulation center
1414: GrundstoffspeicherRaw material storage
1515: DrucksensorPressure sensor
1616: WasserbusWater bus
1717th: EnergiebusPower bus
1818th: SteuerbusControl bus
1919th: ProzessgasbusProcess gas bus
2020th: EnergiespeichereinheitEnergy storage unit
2121: Anschluss StromnetzPower grid connection

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 202012006146 U1 [0005]

Claims

Wind power plant (1) for generating electrical energy, comprising - A generator unit (6) which can be driven via a wind wheel (4) - A first converter unit (7) for generating a process gas using electrical energy - A second converter unit (8) for generating electrical energy directly from the process gas - At least one gas store (9) for receiving the process gas, the gas store (9) being designed as a low-pressure gas store (9).

Wind turbine (1) after Claim 1 , characterized in that the gas storage (9) is at least partially arranged inside a tower (2) or a nacelle (3) of the wind turbine (1).

Wind turbine (1) according to one of the Claims 1 to 2nd , characterized in that the gas reservoir (9) is designed as a balloon-like body.

Wind turbine (1) after Claim 3 , characterized in that the wall (10, 11) of the balloon-like body is elastic.

Wind power plant (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the gas storage (9) is double-walled.

Wind power plant (1) according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of gas stores (9) is present.

Wind power plant (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the first converter unit (7) is designed as an electrolysis unit (7).

Wind power plant (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the second converter unit (8) is designed as a fuel cell (8).

Wind power plant (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the two converter units (7), (8) and the gas reservoir (9) form a modular energy storage unit (20) together with a control and regulating unit (12).

Wind turbine (1) after Claim 9 , characterized in that a plurality of energy storage units (20) is present.

Wind power plant (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the basic material required for generating the process gas is provided in a central store (14).

Wind turbine (1) according to one of the Claims 1 to 10th , characterized in that the energy storage unit (20) comprises a basic material storage (14) for the basic material required for generating the process gas.

Wind power plant (1) according to one of the preceding claims, characterized in that a central control and regulation center (13) is set up to regulate the generation of the process gas and the electrical energy.

Wind power plant (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the process gas is hydrogen.

Wind turbine (1) according to one of the Claims 12 to 14 , characterized in that the basic material is water.

Module for converting and storing electrical energy, comprising - A first converter unit (7) for generating a process gas using electrical energy - A second converter unit (8) for generating electrical energy directly from the process gas - At least one gas store (9) for receiving the process gas, the gas store (9) being designed as a low-pressure gas store (9).

Module system for converting and storing electrical energy, comprising at least one module according to Claim 16 as well as a central control and regulation center (13).