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Die Erfindung betrifft eine Tragstruktur einer Windenergieanlage mit einer Gittermaststruktur aus rohrförmigen Vertikalen aufweisenden Gittermastsegmenten, die Gittermastsegmente aufeinander über Flansche an Enden der Vertikalen miteinander verbunden sind und zumindest in einem Teil der Vertikalen Gasspeicherräume angeordnet sind.
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In der Offenlegungsschrift
DE 10 2013 017 914 A1 wird im Zusammenhang mit einer Offshore-Windenergieanlage ein sogenanntes „Power to Gas“-Prinzip erläutert. Dieses Prinzip sieht vor, dass bereits auf der Windenergieanlage der von der Windenergieanlage erzeugte Strom in Wasserstoff umgewandelt wird, um die erzeugte Energie in Form des Wasserstoffs wirtschaftlich speichern, transportieren und verteilen zu können. Die Umwandlung des Stroms in Wasserstoff erfolgt im Wege der Wasserelektrolyse, mit der eine Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff mit Hilfe des erzeugten elektrischen Stroms erfolgt. Bei einer Verwendung von Seewasser für die Elektrolyse wird eine Entsalzung der Elektrolyse vorgelagert.
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Des Weiteren ist aus der Gebrauchsmusterschrift
DE 20 2018 105 845 U1 eine Windkraftanlage mit einem Turm und einer hierauf schwenkbar aufgesetzten Gondel mit Windradflügeln bekannt. Der Turm ist in üblicher Weise konisch und rohrförmig ausgebildet. In der Gondel ist eine Generatoreinheit zur Erzeugung elektrischen Stroms angeordnet, die je nach Stromnachfrage im Netz zur Zwischenspeicherung überschüssiger Windenergie bedarfsweise mit einer Elektrolyseeinheit und einer Brennstoffzelle zusammenarbeitet. Die Elektrolyseeinheit ist mit einem Niederdruck-Gasspeicher verbunden, in dem das erzeugte Prozessgas der Elektrolyseeinheit, insbesondere Wasserstoff, zwischengespeichert wird. Mit Hilfe der Brennstoffzelle kann dann bei Bedarf der Wasserstoff wieder in elektrische Energie umgewandelt werden. Der Gasspeicher ist als ein oder mehrere ballonartige und elastische Körper ausgebildet, die im Inneren des Turms angeordnet sind.
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Ferner ist in der Gebrauchsmusterschrift
DE 20 2016 102 785 U1 eine weitere Windkraftanlage beschrieben, die neben einer Generatoreinheit, eine Elektrolyseeinheit, eine Brennstoffzelle und einen Gasspeicher aufweist. Die Windkraftanlage ist mit ihrem Turm über eine Monopile- oder Tripile-Gründung oder einer Gründung mit einer Vielzahl von Rohren im Erdreich verankert. Hierbei weisen die Gründungen Stahlrohre auf, die nicht verfüllt sind und somit als Gasspeicher dienen können. Auch können in den Stahlrohren der Gründungen die Elektrolyseeinheit und/oder die Brennstoffzelle angeordnet werden.
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Aus einer weiteren Offenlegungsschrift
US 2016/0025382 A1 ist eine Windenergieanlage mit einem als Gittermast ausgebildeten Turm bekannt, der eine Gondel trägt. Für eine Zwischenspeicherung der Windenergie weist die Windenergieanlage einen von der Windenergie angetriebenen Verdichter auf, mit dem Druckluft erzeugt wird, die in Druckluftspeichern zwischengelagert wird. Bei Bedarf wird die Druckluft zur Erzeugung von elektrischem Strom verwendet. Als Druckluftspeicher werden die als Rohre ausgebildeten Vertikalen in den Ecken des Gittermastes verwendet. Hierzu sind die Rohre an den gegenüberliegenden Enden jeweils mit einem Boden verschlossen, an denen sich jeweils außen über einen Stutzen ein Verbindungsflansch anschließt. Über die Verbindungsflansche werden die Rohre zu den Vertikalen des Gittermasts miteinander verschraubt. Außerdem befinden sich im Mantelbereich jedes Rohres Anschlüsse für die Zu- und Abführung der Druckluft.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Tragstruktur einer Windenergieanlage und eine Windenergieanlage mit dieser Tragstruktur mit einer optimierten Gasspeicherung zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Tragstruktur einer Windenergieanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Windenergieanlage mit einer derartigen Tragstruktur gemäß Anspruch 6 gelöst. In den Unteransprüchen 2 bis 5 sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung beschrieben.
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Erfindungsgemäß wird bei einer Tragstruktur einer Windenergieanlage mit einer Gittermaststruktur aus rohrförmigen Vertikalen aufweisenden Gittermastsegmenten, die Gittermastsegmente aufeinander über Flansche an Enden der Vertikalen miteinander verbunden sind und zumindest in einem Teil der Vertikalen Gasspeicherräume angeordnet sind, eine Optimierung der Gasspeicherung dadurch erreicht, dass jeder Gasspeicherraum in Längsrichtung der Vertikalen gesehen endseitig über je eine Trennwand gasdicht abgeschlossen und die Trennwände von dem jeweiligen Ende der Vertikalen beabstandet sind. Hierdurch wird vorteilhafter Weise der Gasspeicherraum über seine Trennwände von den Enden und den Flanschen der Vertikalen entkoppelt. Somit sind auch in vorteilhafter Weise die über die Flansche übertragenen Belastungen der Windenergieanlage entkoppelt von den Belastungen, insbesondere den Längskräften, durch das in dem Gasspeicherraum unter hohem Druck gespeicherte Gas. Eine Doppelbelastung der Enden beziehungsweise der Flansche der Vertikalen wird hierdurch vermieden. Durch die Erfindung werden die bereits vorhandenen rohrförmigen Vertikalen zumindest teilweise als Gasspeicherraum verwendet ohne die mechanische Stabilität der Gittermaststruktur maßgeblich zu schwächen. Auch können separate Druckbehälter für die Speicherung des Prozessgases, insbesondere des Wasserstoffs, entfallen. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung sind in der Gittermaststruktur beziehungsweise dem Gittermastsegment vorhandene Eckstiele, Eckpfähle beziehungsweise Eckträger als Vertikalen bezeichnet worden, orientiert an deren Ausrichtung in einem quaderförmigen Gittermastsegment. Es ist daher selbstverständlich, dass die Vertikalen bei einer kegelstumpfförmigen Gittermaststruktur beziehungsweise Gittermastsegment nicht senkrecht sondern schräg ausgerichtet sind.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass zwischen der Trennwand und dem Ende der Vertikalen ein Hohlraum angeordnet ist. Somit wird die vorbeschriebene Trennung von Trennwand des Gasspeicherraums und Flansch sicher erreicht.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass eine Länge des Gasspeicherraums in Längsrichtung der Vertikalen gesehen maximal 95 %, vorzugsweise maximal 90 %, 85 %, 80 % oder 75%, einer Länge der Vertikalen in Längsrichtung gesehen beträgt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Gasspeicherraum für eine Speicherung von Gas unter hohem Druck, vorzugsweise im Bereich von 20 bis 200 bar, besonders vorzugsweise im Bereich von 100 bis 200 bar, geeignet ist.
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In einer bevorzugten Bauform sind die Trennwände quer zur Längsrichtung der Vertikalen gesehen gerade, konkav oder konvex ausgebildet.
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Die erfindungsgemäße Tragstruktur eignet sich besonders für eine Windenergieanlage mit einer Elektrolyseeinheit für die Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Dann kann der Wasserstoff vorteilhafterweise in dem oder den Gasspeicherräumen zwischengespeichert werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht einer Windenergieanlage und
- 2 eine Detailansicht einer Vertikalen eines Gittermastsegments einer Gittermaststruktur der Windenergieanlage gemäß 1.
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In der 1 ist eine schematische Ansicht einer Windenergieanlage 1 zur Umwandlung von Windenergie in elektrischen Strom dargestellt, die im Wesentlichen aus einer vertikalen Tragstruktur 2, einer hierauf schwenkbar angeordneten Gondel 3 mit Windradflügeln 4 besteht. Die Tragstruktur 2 ist in statischer und konstruktiver Hinsicht als Hybridstruktur ausgebildet mit einer unteren Gittermaststruktur 5, die an einem Boden 6 abgestützt und verankert ist, und mit einem oben auf der Gittermaststruktur 5 über einen Adapter 7 aufgestellten Turm 8. Die Gittermaststruktur 5, die auch als Jacket bezeichnet werden kann, ist eine Fachwerkkonstruktion aus Stahlrohren und/oder Stahlprofilen mit einer viereckigen Grundfläche beziehungsweise einem viereckigen Querschnitt. Drei- oder mehreckige Grundflächen sind selbstverständlich auch möglich. Die Gittermaststruktur 5 ist insgesamt von dem Boden 6 ausgehend in Richtung des Adapters 7 konisch zulaufend ausgebildet und setzt sich beispielhaft aus fünf übereinander angeordneten Gittermastsegmenten 5' zusammen. Jedes dieser Gittermastsegmente 5' hat im Wesentlichen die Form eines geraden Pyramidenstumpfes, in dessen vier Ecken jeweils eine Vertikale 5a verläuft, die über Diagonalen 5b zu dem Gittermastsegment 5' miteinander verbunden sind. Die Diagonalen 5b können ebenfalls als Rohre oder Winkelprofile ausgebildet werden. Im Zusammenhang mit der Erfindung werden unter dem Begriff Rohre Hohlprofile mit rundem, dreieckigem, viereckigem oder vieleckigem Querschnitt verstanden. Jede der Vertikalen 5a, die auch als Jacketbeine bezeichnet werden können, ist als handelsübliches Rohr mit vorzugsweise rundem Querschnitt ausgebildet. Hierbei kann jede Vertikale 5a aus mehreren hintereinander angeordneten und miteinander verschweißten Rohren oder aus nur einem einzigen Rohr bestehen. Die Vertikalen 5a weisen hierbei eine Länge von bis zu 22 m auf. An den Enden der Vertikalen 5a sind jeweils ringförmige Flansche 5c (siehe 2) direkt angeschweißt, um eine Verbindung der Gittermastsegmente 5' untereinander oder ein Anschluss der Gittermastsegmente 5' an den Adapter 7 oder den Boden 6 zu ermöglichen.
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Der Turm 8 ist im vorliegenden Fall zweiteilig und in der in der Windindustrie üblichen Weise als Stahlrohrkonstruktion in Form eines Einzelstabes ausgebildet. Die Stahlrohrkonstruktion baut sich aus einzelnen, kaltgebogenen und zusammengeschweißten Blechen auf. Eine Verbindung der einzelnen Teile des Turms 8 erfolgt über an den Enden der Teile angeordnete Ringflansche und entsprechende Verschraubungen.
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Der Adapter 7 ist in herkömmlicher Weise als geschweißte Blechkonstruktion mit gebogenen Mantelblechen ausgebildet. Um den auf den Adapter 7 aufgestellten Turm 8 zu befestigen, ist der Adapter 7 mit einem oberen Ringflansch für eine Schraubverbindung mit dem unteren Ende des Turms 8 versehen. An seinem unteren Ende weist der Adapter 7 in entsprechender Weise vier Ringflansche für die Anbindung der oberen Enden der Vertikalen 5a des obersten Gittermastsegmentes 5' über eine Verschraubung auf.
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Die Windenergieanlage 1 weist in üblicher Weise in der Gondel 3 einen von den Windradflügeln 4 angetriebenen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie auf. Um die Windenergie beziehungsweise die elektrische Energie in Form eines speicherbaren Energieträgers zwischenspeichern zu können, ist zusätzlich in der Gondel 3 eine nicht in der 1 dargestellte Elektrolyseeinheit angeordnet. Eine Umwandlung des Stroms in Wasserstoff erfolgt in der Elektrolyseeinheit durch der Wasserelektrolyse, mit der eine Zerlegung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff erfolgt. Bei einer Verwendung von Seewasser für die Elektrolyse wird eine Entsalzungseinheit der Elektrolyseeinheit vorgelagert. Eine Zwischenspeicherung des Wasserstoffs erfolgt in allen oder zumindest einem Teil der Vertikalen 5a der Gittermaststruktur 5.
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Die 2 zeigt eine Detailansicht einer Vertikalen 5a eines Gittermastsegments 5' einer Gittermaststruktur 5. Die als Rohr ausgebildete Vertikale 5a weist an ihren gegenüberliegenden Enden 5d, die vorzugsweise rechtwinklig zur Längsrichtung L der Vertikalen 5a ausgerichtet sind, angeschweißte ringförmige Flansche 5c auf. Hierbei sind die Flansche 5c unmittelbar an die Enden 5d der Vertikalen 5a angeschweißt. Über die Flansche 5c werden die einzelnen Gittermastsegmente 5' über Schraubverbindungen miteinander verbunden und nehmen somit die sich aus dem Betrieb der Windenergieanlage 1 entstehenden Belastungen auf und leiten diese weiter. Um einen Gasspeicherraum 9 für den Wasserstoff innerhalb der Vertikalen 5a zu schaffen, sind außerhalb der Enden 5d der Vertikalen 5a und somit nach innen versetzt Trennwände 5e in das Innere der rohrförmigen Vertikalen 5a eingeschweißt. In entsprechender Weise wird der Gasspeicherraum 9 somit durch einen Teil der Mantelfläche der Vertikalen 5a sowie in Längsrichtung L der Vertikalen 5a gesehen an den gegenüberliegenden Enden über die Trennwände 5e begrenzt. In diesem hermetisch abgetrennten Gasspeicherraum 9 kann Wasserstoff unter hohem Druck, vorzugsweise im Bereich von 20 bis 200 bar, besonders vorzugsweise im Bereich von 100 bis 200 bar, verlustfrei gespeichert werden. Somit wird im Bereich einer Außenseite der Trennwände 5e und den Flanschen 5c kein Wasserstoff gespeichert. Darüber hinaus ist der Gasspeicherraum 9 über seine Trennwände 5e von den Enden 5d und den Flanschen 5c der Vertikalen 5a entkoppelt. Somit sind auch in vorteilhafter Weise die über die Flansche 5c übertragenen Belastungen der Windenergieanlage 1 entkoppelt von den Belastungen, insbesondere den Längskräften, durch das in dem Gasspeicherraum 9 unter hohem Druck gespeicherte Gas. Hierdurch verbleibt jeweils ein Hohlraum 11 zwischen den Trennwänden 5e und den Enden 5d beziehungsweise den Flanschen 5 der Vertikalen 5, der nicht für die Gasspeicherung genutzt wird. Die Länge I des Gasspeicherraums 9 beträgt somit maximal 95 %, vorzugsweise maximal 90 %, 85 %, 80 % oder 75 %, der Länge v der Vertikalen 5a in Längsrichtung L gesehen. Wie aus der 2 ersichtlich schließt die Länge v der Vertikalen 5a die beiden Flansche 5c mit ein. Vorzugsweise ist der Gasspeicherraum 9 in Bezug auf die Enden 5c und in Längsrichtung L der Vertikalen 5a gesehen mittig angeordnet oder mindestens an beiden Enden 5d der Vertikalen 5a als Abstand 2 % der Länge v der Vertikalen 5a zwischen der Trennwand 5e und dem Ende 5d erhalten.
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In der 2 sind die Trennwände 5e nach innen gewölbt ausgestaltet. Eine Wölbung nach außen oder eine plane Ausgestaltung der Trennwände 5e ist auch denkbar. Diese Ausgestaltung der Trennwände 5e kann quer zur Längsrichtung der Vertikalen 5a gesehen auch als gerade, konkav oder konvex bezeichnet werden. Hierbei sind die Begriffe konkav oder konvex jeweils auf eine Betrachtungsrichtung ausgehend von der Mitte des Gasspeicherraums 9 bezogen. In Bezug auf gewölbte Trennwände 5e bezieht sich die Länge des Gasspeicherraums 9 in Längsrichtung L der Vertikalen 5a gesehen auf den jeweils dem Ende 5d der Vertikalen 5a nächstgelegenen Teil der Trennwand 5e.
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Es ist selbstverständlich und in der 2 nicht dargestellt, dass der Gasspeicherraum 9, vorzugsweise in der Mantelfläche der Vertikalen 5a, Anschlüsse für die Zu- und Ableitung des Gases aufweist. Auch können Verbindungsleitungen 10 zwischen den einzelnen Gasspeicherräumen 9 der jeweiligen Vertikalen 5a vorgesehen werden. In der 2 ist eine entsprechende Verbindungsleitung 10 zwischen der vorbeschriebenen Vertikalen 5a und einer hieran an gekoppelten weiteren Vertikalen 5a eines angrenzenden Gittermastsegments 5', die gestrichelt angedeutet ist.
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Im Zusammenhang mit dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Windenergieanlage 1 als Onshore-Windenergieanlage beschrieben. Es ist durchaus denkbar, diese auch als Offshore-Windenergieanlage einzusetzen. Auch kann die Tragstruktur 2 insgesamt als Gittermaststruktur 5 ausgebildet sein, die dann direkt die Gondel 3 trägt. In Bezug auf die Elektrolyseeinheit ist eine Anordnung innerhalb der Tragstruktur 2, auf dem oder in dem Boden 6 angrenzend zu der Tragstruktur 2 denkbar. Bei Bedarf könnten auch die Diagonalen 5b als Rohre ausgebildet werden, um dort eine Zwischenspeicherung des Gases, insbesondere des Wasserstoffs, vorzunehmen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Windenergieanlage
- 2
- Tragstruktur
- 3
- Gondel
- 4
- Windradflügel
- 5
- Gittermaststruktur
- 5'
- Gittermastsegment
- 5a
- Vertikale
- 5b
- Diagonale
- 5c
- Flansch
- 5d
- Ende
- 5e
- Trennwand
- 6
- Boden
- 7
- Adapter
- 8
- Turm
- 9
- Gasspeicherraum
- 10
- Verbindungsleitung
- 11
- Hohlraum
- I
- Länge
- v
- Länge der Vertikalen
- L
- Längsrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013017914 A1 [0002]
- DE 202018105845 U1 [0003]
- DE 202016102785 U1 [0004]
- US 2016/0025382 A1 [0005]
