DE1513098A1

DE1513098A1 - Elektrische Energieversorgungsanlage mit einem Windkraftgenerator

Info

Publication number: DE1513098A1
Application number: DE19511513098
Authority: DE
Inventors: Winsel Dr Rer Nat August
Original assignee: Siemens AG; VARTA AG
Current assignee: Siemens AG; VARTA AG
Priority date: 1951-01-28
Filing date: 1951-01-28
Publication date: 1970-04-23
Also published as: DE1513098B2; DE1513098C3

Description

Flek-tr:isi;he Energiever5orpunE5anlage mit einem

W inUkraftgenera*tor

ist bereit:; bekannt, zur :nerie@ervr;un schver zugänE,li=aer

el ektri:che-° Aggregate, beispel;,weise von Fern:5ehumsetzern und

Funkrelai2:tacionen auf B.erggipfe:ii, Brennetoffze.llen zu ver-Nenden.

Nach 4T. Vielstich "Brenni: t,. l 'elemen te" , Verlag Chemie . GmbH

Weinheim/Bergs tr. , 1965, Sei*,-en 237 f1. , sinn hierf-Ur ß'!e thariol-

Brenn zofzellen` besonders geeignet und sind für diese -'"we;-#ke au :h

schon mehrfacrl getestet worden.

Ein Itachteil dieser brenri_ tof -.,'zellen besteht- darin, daß sie zur

Erzielung einer besseren hei-Itung mit einem alkalizichen

Elektrolyten betrieben werden müssen, und daß mit dem Brennst o.-'*.'

Methanol gleichzeitig die teuere Lauge verbraucht wird. Ein vöij.ig

wartungsfreier Betrieb- ist infolge des bei der elektrochemischen Um-

setzung gebildeten Wassers und Kohlendioxids nicht möglir-h .

Zusätzliche kostspielige Einrichtungen sind erforderlich,fal-:1 man

nicht in kurzen Zeitabsti-nden eine Regenerierun;-des Elektrolyten

bzw. seinen Austausch vornehmen will. -

Diese Nachteile können beispiel,weise dadurch vermieden werden, da,-,)

man anstelle der Methanoi-Brennstoffze-:len Knallgaszellen verwendet,

bei denen kein v02; gebildet wird und ein Verbrauch des Elektrolj ten

nicht stattfindet: Jedoch muß auch in diesem ?all mindestens der

Brennstoff an den Ort des Verbrauchers geführt werden, was wegen der

dazu erforderliciie:t .Dru(!kpeö.ße sehr umst5nülich und desha.@b für jie

Praxis bisher auch ohne Bedeutung geblieben ist. Auch bei diesen

Brennotoffzellen wird der Elektrolyt lau.`end d:.lr:.:h das Reaktians-

wasser verdünnt, so daß zusätzliche Unrir"rit"ngen zu seiner :£3e- -

seitigung sowie Konzentrationsüberwachun; notwendig sind.

Aufgabe der vorliegenüen Erfindung ist es nun, die genannten

Nachteile zu beheben und eine elektrioche Energieversorgun;_;-;anlage

zü schaffen, die neitgehend wartungsfrei arbeitet und insbesondere-

zur Versorgung schwer zugänglicher Aggregate wie Füllsender, #' #ün k-

relais Stationen unä Leuchtbojen, geeignet irt.

Die neue Enereicversorgunranlüge ist dadurch ge«ennzenhnet, üat? :ie

aus mindestens einem durch Wind betriebenen Gleichstromgenerator,

einer `.ru->kelektrolyse-Batterie, peichergei:«tßen für die T'1ektrclyse-

gase:, einer Knallgasbatterie und einer Elektrolytpumpe besteht,.

und daß die Uruükelektrolysezellen und Knalljaszellen über einen

m kreislau geführten Elektrolyten miteinander verbunden sind.

Der Erfindung liegt die Erkenn-nis zu Grunae, daß sich die in

Betracht gezogenen Verbraucher sehr häufig an D- teilen beiinaen, an

denen genügend natürliche Windenergie zur Verfügung stelzt, um die

Aggregate zu betreiben, und daß diese natürlie#?e Energiequelle

trotz ihrer von den Witterungsbedingungen stark abh:ingigen und

demzufolge auch sehr schwanken,ien Lei. tungen zum Betrieb kontinuier-

lich arbeitender Aggregate eingesetzt werden kann, nämlich dazr4 wenn

man de@Energie gemäß der Erfindung zunächst in elektrische Energie

umwandelt und dieseln einer vruokelektrolysebatterie in Form

chemischer Energie speichert und anschließend die gespeicherte Energie

in einer Knalgaszelle wieder in elek'rische EnerF;ie äber@'':ihrt.

Ein Beispiel für eine Energieversorgun ;sanl age' gem#iß cxer Erfindung

wird nun naher beschrieben.

')ie Anlage bestellt aus einem windbetriebenen Gleic@spar:nun::"-

generator, der eine von der ;"lindge@@c;hwii.digkeit abh'-in-ige jT)a-nung

liefert. Mit die"#er ':#pannun; wird eine Anzahl von Elelz,roil-,-:@ezeu.7.ei

(aerar t versorgt, üat3 bei. Erhöhung -ler s)renza;il uz@d

Steigerung der Spannung um jeweils 1,5 V bis 2 V eine weitere`

I"lektrolysezelle in Serie hinzugeschaltet wird. Auf diese Weise wirf

die Lei,tung der Lruckelektrolysebatterie der Windleistung an"?epa;.;t

und man gewinnt z. 1's: bei. gleichem Strom durch Verdopplung der

Spannung die doppelte Menge der Elektrolysegase und damit au :'ri die

doppelte Menge an gespeicherter chemischer Energie.

Die Einschaltung zusätzlicher Elektrolysezeilen bei steigender

Spannung kann durch verschiedene- Steuereinrichtu ngen bewirkt wer,leii,

etwa durch eine Relaisschaltung.

_, Nach einer anderen Ausf ührungsform der Erfindung kann die Leistung

der Druckelektrolysezelle der Windlei;-tung auch in der Wei::e arige-

paßt werden, daß man mehrere, verschiedenen Abschnitten der

Elektrolysebatterie zugeordnete Generatoren auf einc-:r Rotorachse

anbringt und jeweils soviele Generatoren im Leerlaut' betreibt, daß

durch das hemmende Drenmoment der belasteterri Generatoren die

Propellerdrehzahl der Windgeschwindigkeit im Sinne einer optimalen

Ausnützung der Windenergie angepaßt wird. Selbstvers .:9:ndlic:i kann

auch bei dieser Ausführungsform die F'rcp@l-? ergeschwindigkei _ iur(:ii

impulsweise Entnahme des Elektrolysestromes im Mittel au2 einem

gewänf:chten Wert gehalten werden.

Bezeichnet man die Wind@.ei,tung mit LW, den Wirkungsgraä der

Windkraftanlage einschließlich der T@aek :x@:)Idrfjezelle cni t 1 e,

eo iet die PequItierendt heicturig Loh0 mit der die chemische Energie

gewonnen wird, eine Panktion der Windgeßchwindigieit v.

Lh (v) _ .hw(v)e (v) C i

Der Wirkungsgrad 1 br der knallgaszelle ist bei koristai,ter Lei--ttirity;

L des Verbräiir-t-iers konstant. Damit Ist die erforderliche Leistung

von Windkraftanlage eineehliet311eh rlektrolyaezelle gleich:

Z o/1 br (2)

'Ole chemisc@ie Energiebilanz über einen Zeitraum 0 T, von vier Gei

To aus gerechnet, ist gleich dem Zeitintegral über uie durch Wind-

kraftgenerator undtrohreeeell@l zur Ver:"Ügung gestellte Leistung

abzüglich der für Bremotoffelexent und Verbraucher erforderlichen.

Man wird die Anlage so auslegen, dafl im zeitlichen Mittel die zur Verfügun,.x- stehende Windenergie ausreicht, den Verbraucher einschließlich aller Verluste zu versorgen, a. h.

Aus der Bedingung

fw(vo) t e(ya) " ZolIbr

,ergibt sich ein Wert für die 'Iindge srhwindigkeit v0, die station-ir

zum-Betrieb der Ansage gemß der Erl'indung ausreicht.

Bei der Bemessung der Anlag'e wird man demnach für v0 einen Yert ein-

setzen, der äer hiufigsten T'.inägeschwin-äigkeit entspri dht.

Da jedoch die häufigste ',iJindges2hwinuigkeit stets kleiner als die

mittlere ist, ist damit au..:h die Bedingung der Gleichuni; (4) erfüllt.

va weiterhin fUr ein kurzes Intervall o T vollständiger Windstille

E (To, d T) < 0,z( ist und im infiniten zeit-1 i,@hen Intervall

4 T jedoch E (To, 6 T) > 0 ist, gibt es fi12 E (To . 4T) ein

ortsabhängiges Minimum EM, das die er2.irderliche Speicherkaparlt'*@;

bestimmt. Es stellt den größten aus dem Gasvorrat zu deckenden

Energieunterschuß dar und bestimmt somit die Kapazität der Speicherge-

fäße.

1 Mol H2 und 1/2 Mo1 02 liefern bei einer Spannung von 0,75 V in der

`=nallgaszelle 54 Ah, also rund 40 Wh. Zur Überbrückung von 24 qtd.

gindstille erfordert eine Anlage von 100 W, also 60 bIol H2

und 30 Mol 02. Unter Standardbedingungen beträgt das hierzu er-

forderliche Speichervolumen für Wasserstoff 1340 1 und für Sauerstoff.'

670 1.

Da vollkomene Windstille in unseren Breiten auf den Höhen der

Xittel- und Hochgebirge über Tage hinaus sehr selten tot, dürfte man

in den meisten fallen mit einem Ganvorrat von 1 bis 10 N33 für

eine 100 W-Anlage auskommen.

An lieeer te11e wird no;#,n darauf hingewiesen, dafl es auf manchen An-

we»dungegebieten such von Vorteil Bein kennt anstelle der (turcp Wind

angetriebenen rlynamomanctiine eine (furch ,`iaaserkraft angetriebene..eu

ve rVe n d e » . . -

In der erfindungsgemäßen Energieversorgungsanlage müssen die

Elektrolysegase gegen den Gasdruck in die ',-jpeichergefiße einge speit

werden. Aus diesem Grund mu13 man auch als Elektrolysezellen die an

sich bekannten Druckelektrolysezellen verwenden, bei denen der

Gasdruck aus den Speichergef@en auf den Elektrolyten der Elektrol:y:-e-

Lell=en rückgekoppelt ist. Gasbehälter und Elektrolysezellen bilden

ein unter gemein-:arnen' Überdruck stehendes System, in das gegebenen-

falls die Knallgaszellen einbezogen werden.

lm zuletzt genannten 1F11 wird der Gasdruck aus den Speichergefäßen

bis auf den .>?eil, der gleich der Arbeitsdru..:.kciifferenz zwischen

Gas- und Elektrolytraum der Gasdiffusionselektroden ist, auch auf den

Elektrolytraum der Knalli--,aszelle rückgekoppelt. Der Elektrolytdruck

ist bei gleichen Elektrodentypen in den Elektrolyse-: und Knallgas-

zelten gleich.

Bei der Druckelektrolyse wird Wasser verbraucht, das in. Form: der

dabei entstehenden Elektrolysegase zunächst gespeichert und an-

schlie3end unter Erzeugung elektrischer Energie in den Knallgas-

zellen wieder gebildet wird. Zur Gewährleistung eines stationären

Betriebes mua'das in den Knallgaszeilen gebildete Wasser selbstver-

stündlich wieder in die Elektrolysdzellen zurückgeführt werden, was

bei gleichem hydrostazisohem Druck mit Hilfe einer Umlaufpumpe ge-

:sc.hehen kann: Hierbei wird der Elektroljt ständig im Kreislauf geführt;

und man eraält eine über das ganze System hin konr#i.-ante Elektrolyt-

konzentration. Zweck. Verminderung der Polarisation 'st es weiterhin

.von Vorteil,: wenn man die Elektrolytströmung niccit nur auf d4.«.

Elektr"lyträume begrenzt, sondern ganz c:xe.@° te-.lwei:ie auch a@

elektrolyterfüllten Foren auaciehnt.

An Hand der nachstehenden schematischen drei Figuren werden nun einife

Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert.

In Fig. 1 bedeutet 1 die Druckelektrolysebatterie, 2 die Knallgas-

batterie, 3 das Speichergefäß für Sauerstoff und 4 das :für vas exs t;o_' i .

Der Gasdruck in den Speicbergefäßen 3 und 4 wird in den Elektrolyt-

vorratsgefäßen 5,-6, 7 und 8 mittels der Ausgleichskörper 9, 10, 11

und 12 jeweils bis auf die Arbeitsdruckdifferenz4 p - die sich aus-

den beidseiTig der Gasdiffusionselektroden herrschenden T)rücken ergibt

- zurückgeführt,

Mittels der Umlaufpumpe 13 und den Zeitungen 14, 15, 16, 17, 18, 19

und 20 wird der Elektrolyt zwischen der Elektrolysebatterie 1 und der

Brennstoffzellenbatterie 2 über die Elektrolytvorratsgefäße 5, 6, 7

und 8 im Kreislauf geführt. ?_1, 22, 23 und 24 sind Zu- bzw. Ableitungen

der in den Gefäßen 3 und 4 gespeicherten Gase.

sowohl die Vorratsgefäße als auch die Speicherbehälter haben Ventile

zur Ausscheidung überschüssiger Gasmengen, die allerdings in ;der

Zeichnung nicht dargestellt sind. Sie sorgen dafür, daß die

Druckdifferenz zwischen den einzelnen Gasbehältern eine vorgegebene

Toleranz nicht überschreitet.

Iriit .?_5 ist irr =Fis.. 1 der Propeller des.Gleichepannungsgenerators 26

bezeichnet und mit 2' ein Relais, das die Ein- bzw. Abschaltung

der Elektrolysezellen in der Batterie steuert. 28 Stellt den an die

Brennstoffzellenbatterie@angeschlossenen Verbraucher, z. 33. eine

Leuchtboje, dar.

Nach- einer anderen Ausfü:hrungsförm der Erfindung können: die Knallgas-

zelten auch. bei einem Druck betrieben werden, der geringer als der

Druck in der Elektrolysezelle st, beisnielßweise bei Atmosphären-

druck. In einem solchen Fall braucht man den Druck der gespeicherten

Gare lediglich auf die Betriebsdrücke der Elek:roden in den Knallgas-

zelten zu reduzieren, was in einfachster Form mit nruckminderventilen

geschehen kann. ner Elektrolytkreislauf hat hierbei allerdings die

hydrostatische Druckdifferenz zwischen den Knallgas- und Elektrolyse-

zelten zu überwinden, wozu aber fast kein Energieaufwand benötigt

wird, da -das umzuwälzende Flüssigkeitsvolumen gering ist, und

damdt auch die sieh aus dem Produkt des Fördervolumens und der

Druckdifferenz ergebende Pumpenleistung:

Eine derartige Anordnung ist schematisch in Fig:. 2 dargestellt, in

welcher mit 31 eine F,lektrolysebatterie und mit 32 eine Knallgas-

batterie bezeichnet ist. 33 und: 34 sind die erfotderliehen

Speichergefäße fizr- Wassersto#-"'f' und Sauerstoff und 35, 36, 37 und: 38

Vorratsgefäße für den: Elektrolyten:

Beginnend bei dem Elektrolysegefäß 35, ergibt sich folgender

Elektrolytkreislauf: Über die Leitung 39 fließt der Flektrolyt

zun-@.chgt in die lektrolysebattere 31 und aus dieser über die

Leitung 40 in das-Vorratsgefäß 36. Unter dem in der Blektrolysebatterie

.sowie den Vorratsgefäßen 35 und 36 herrschenden Überdruck fließt

der Elektrolyt weiter über das: Drosselventil 41 in das Vorratsgefäß

37, von dem er über die Leitung 43 in die Brenna toffzellenbatterie

.3 gespült wird. Der Blektxolyt gelangt schließlich über die Leitung

44 in das Vcrratagafäß e#3 und aue diesem mittels dar Pumpe 46 und der

Ventile 45 und 47 über die Zeitungen 48 und 49 in das Ausgangngeäß 35 zurück. -Durch-das Überdruckventil 50 in der Leitung 51 wird das Auftreten eines zu hohen Druckunterschiedes in den Vorratsgefäßen 35 und 36 verhindert: Die Druckdifferenz zwischen den Gesäßen 37 und 38 wird in gleicher Weise durch das Überdruckventil 52 in der Zeitung 53 begrenzt.

Das Druckvontil 41 kann mittels des Kraftmagneten 42 geschlossen werden, und zwar dann, wenn der Elektrolytspiegel im VorratsgefL:-:ß 37 einen vorbestimmten Wert überschreitet.
Das Vorratsgefäß 38 kann bei dieser Ausführungsform mit dem Druck der Umgebung im Gleichgewicht stehen.
Die bei der Elektrolyse entstehenden Gase werden über die Zeitung 54 und 55 in die dafür vorge.8ehenen Speicherbehälter 33 und 34 geleitet und-gelangen von dort über die Druckminderungsventile 56 und 57 in die Elektroden der Brennstoffzellenbatterie 32. Wie bei, der ersten Ausführungsform wird aus der Gasdruckleitung ein Teil des Gases über die Leitung 58 und den Ausgleichskörper 59 auf den Elektrolyten zurückgekoppelt. Die Rückkopplung kann selbstverst:@ndlich auch an jeder anderen helle des aus den Blektrolrtgefäßen 35 und 36 sowie der Elektrolysebatterie gebildeten Systeme geschehen.

Mit 60 Ist. In ?lg. 2 der auf der Aohae 61 angebrachte Propeller bezeichnet und 62, 63, 64 und 65 stellen die Gleichnpannungegeneratoren darf .die Uber die Steuereinrichtung in Abhängigkeit von der

Winclenemergie an die Elektrolysebatterie angeschlossen werden: 67

ist der an die Brennstoffzellenbatterie angeschlossene'@Verbraucher.

Eire ähnlich arbei tuende Anordnung zeigt Fig.. 3, bei der mit

Rückgewinnung der Kompressionsenergie gearbeitet wird. Zu diesem

Zweck i"t auf der Arbeizsächße 76 neben dem Pumpenzylinder 77

noch ein Arbeit2zylinder 78 angebracht, der den Druckelektrolyten

über das Steuerventil 79 zugeführt. bekommt und ihn über das Steuer-

ventil 80 in das Vorrategefäß 74 weiterleitet. Das Magnetventil 81

mit dem Kraftmagneten 82' wird dann geöffnet, wenn vier Flüssigkeits-

spiegel im Vorratsgefäß 73 zu hoch steht, was durch den Stand-

höhenfühler 83 wagezegt wird Bei geö-I'fnetem Ventil fließt der

7,lektrolyt in das Vorratsgefäß 74. 84 und 85 sind die zur Rückkopplung

des Drucrt,#es aus den Gasbehütern auf das Elektr olytsystem der

Elektrolysebatterie 70 benötigten Ausgleichskörper. Die Brennstoff-:

zellenbatterie ist in Pig:, 3 mit 71 bezeichnet. 72 und 75 sind weitere

Elektrolytvorratsgei-iße.

Die in cien drei r'iguren dargestellten Elektrolytvcrratsgefäße können

selbsty.eratändlj.ch UUoh Teilr=:xnme der Zellen sein.

Claims

Patentansprüche 1@ Elektrische Energieversorgungsanlage, inpbesonaere zur Ver- sorgung schwer zugänglicher-Aggregate wie Vilsender, Funkrclai.::- stationen und heuohtbojen, dadurch gekennzeichnet, daß sie au mindestens einem durch Wind betriebenen Gleichatromgenerator, einer Jruckelektrolysebatterie, SpeinbergeWen är die hl.ektroljee- gase, einer Knallgaebatterie und einer Elektrolytpumpe berleht und daß die Druckelektrolysezellen und Knallgaszellen über einen im Kreislauf geführten Elektrolyten miteinander verbunden oinj. 2. Elektrische Energieversorgungsanlage nach Anspruch 1, dauurch gekennzeichnet, daß die Leitung der Druckelektrolysebatterie der Windleistung angepaßt ist. 3. Elektrische Energieversorgungsanlage nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine der ,jeweiligen Generatorspannunf° entsprechende Anzahl von Elektrolysezellen eingeschaltet ist. 4: Elektrische Energiever sorgungsand,lge nach den Ansprünhen 1 uns 2, dasurch gekennzeichnet, daß mehrere, ver;,chiedenen Abschnitten der Elektrolysebatterie zugeordnete Generatoren auf einer gemein- samen Rotora^hsp angebracht sind und jeweils nur soviele Generatoren belastet werden, daß die Propellerdrehzahl der Windgedrhwindigkeit im Sinne einer optimzj.Len AusnÜtzung der Windenergie angepaßt ist.

5. Elektrische Energieversorgungsanlage nach den Anisrüchen 1 bi, 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Knallas- und Elektrolysezellen ein un er gleichem Überdruck. stehendes ges-iilo"senes System bilden. 6. Elektrische Energieversorgungsanlage nach den Anspr:iühen 1 bis @, dadi:arch gekennzeichnet, daß auf der den Zylinder der Umlauf- pumpe +ragenden Gehau se zus'-i tzlieh ein .Arbeitszylinder zur Rückgewinnung der Kompressionsenergie angebracht ist.