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Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Konvertieren der witterungsbedingt
unregelmäßig anfallenden
und schwer voraussehbaren Produktion des Wind- und ggf. Fotovoltaikstroms
in netzfähige
und grundlastige elektrische Energie mit konstanter Spannung und
Frequenz.
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Stand der Technik
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Die
Erstellung von Wind- und Fotovoltaikstrom und ihre Lieferung ins
Stromnetz ist durch systembedingte Nachteile erschwert. Die Windkraftanlagen
(WKA) und Fotovoltaikanlagen (PVA) sind dargebotsabhängige Energiequellen,
die u. a.:
- • immer
nur das aktuelle, witterungsbedingt ständig schwankende Aufkommen
der elektrischen Energie liefern,
- • ihre
Leistung dadurch der tages- und jahreszeitlichen Energienachfrage
nicht anpassen können,
- • die Übertragungsnetze überfordern,
da diese nicht ausgelegt sind, das ständig schwankende Aufkommen der
elektrischen Energie aufzunehmen,
- • die
elektrische Energie immer im Verbund mit konventionellen Kraftwerken
liefern müssen,
die die Spannung und Frequenz in dem von den WKA und PVA benutzten
Teil des Übertragungsnetzes
stützen
müssen,
- • im
eigenständigen
Betrieb die Erfordernisse der Stromversorgung nicht erfüllen können, da
sie nicht in der Lage sind, elektrische Energie mit konstanter Spannung
und Frequenz zu erstellen,
- • wegen
der ständig
veränderlichen
Witterung (zu schwacher, zu starker, oder zu unregelmäßiger Wind, bzw.
nicht genug Sonnenstrahlung) ständig
in Bereitschaft gehaltene Reservekapazitäten in Form von konventionellen
Kraftwerken benötigen,
die witterungsbedingt die erforderlichen Ausgleichsleistungen liefern müssen.
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Mit
der steigenden Leistung der WKA und PVA zeigt sich, dass der größte Nachteil
dieser erneuerbaren Energiequellen ihre begrenzte Grundlastfähigkeit
ist. Diese ist ohne komplizierte Regelungssysteme und die erwähnten Reservekapazitäten nicht
erreichbar.
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Wenn
viel Windstrom eingespeist wird, müssen die konventionellen Grundlastkraftwerke
(Kern- und Braunkohlekraftwerke) ihre Leistung drosseln, weil die
Energieversorger aufgrund des Energieeinspeisegesetzes den WKA-Strom
immer abnehmen müssen.
Durch den zunehmenden Anteil regenerativer Energien lassen sich
daher die bestehenden Grundlastkraftwerke immer schlechter auslasten.
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Diese
Kraftwerke reagieren aber sehr langsam auf Regeleingriffe und bei
Betriebsunterbrechungen dauert es in der Regel mehrere Stunden,
bis die volle Leistung wieder erreicht werden kann.
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Durch
diese Probleme verursacht der Betrieb von WKA und PVA hohe Zusatzkosten
und ist sehr aufwendig und teuer. Das unregelmäßige Angebot dieser Anlagen
kann sogar negative Strompreise verursachen. (1)
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Mit
dem Zuwachs der massenhaft aufgestellten WKA und PVA steigen aus
den o. g. Gründen
die Reservekapazitäten
und die Leistungen, die zur Netzübertragung
erforderlich sind.
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Diese
erhöhen
sich fast im gleichen Maße,
wie die Leistungen der WKA und PVA und verursachen sowohl hohe Umweltbelastung
als auch hohe Investitions- und Betriebskosten. Dies bedeutet auch,
dass durch Wind und Sonne nur minimale Kraftwerkskapazitäten ersetzt
werden und dadurch auch wenig CO2 gespart
wird.
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Laut
der Studie (2) der Boston Consulting Group (2010) lag der Anteil
von Wind- und Fotovoltaikstrom in Deutschland 2008 bei rund 20%
der installierten Gesamtkapazität.
Bis zum Jahr 2025 soll sich dieser Wert auf etwa 44% erhöhen.
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Um
die Sicherheit der Stromversorgung zu gewährleisten, braucht man 2025
deshalb Ausgleichsleistung von bis zu 28 Gigawatt, auf die man im
Falle ungünstiger
Witterungsbedingungen zurückgreifen
kann. Diese Leistung ist höher
als die Leistung aller 17 deutschen Atomkraftwerke, die zusammen
eine installierte Leistung von rund 20 Gigawatt haben.
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Der
europäische
Bedarf an Ausgleichsleistung bis 2025 wird auf 100 Gigawatt geschätzt. Um
die Schwankung der Windkraft ausgleichen zu können, müsste man dann kurzfristig 150.000
GWh elektrischer Energie bereitstellen. (1)
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Die
Möglichkeiten
elektrische Energie in größeren Mengen
zu speichern sind begrenzt, bzw. noch technisch wenig ausgereift.
Zurzeit gibt es nur eine ausgereifte Technik die es ermöglicht und
zwar die Pumpspeicherwerke. In Deutschland gibt es 33 Anlagen dieser
Art, für
den Bau von weiteren gibt es kaum noch Möglichkeiten.
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Die
Speicherung der Stromproduktion aus Offshore WKA in Pumpspeicherwerke
stellt sich jedoch problematisch dar, da zwischen den optimalen
Gebieten der Offshore WKA und den Standorten möglicher Pumpspeicherwerke mehrere
hundert Kilometer liegen, die durch leistungsstarke Fernleitungen überbrückt werden müssten. (3)
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Lösung
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Der
Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung zum konvertieren des
variablen Energieaufkommens der Offshore Windkraftanlagen (WKA)
und Fotovoltaikanlagen (PVA) in netzfähige und grundlastige elektrische
Energie mit der erforderlichen konstanten Leistung und der konstanten
Spannung und Frequenz. Im Weiteren wird die Erfindung „Konverter” genannt.
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Wegen
der Größe des Konverters
wird seine Oberfläche
zur Aufstellung von Fotovoltaikanlagen benutzt, die im Verbund mit
den WKA, z. B. während
der Windflautezeiten, Strom erstellen können.
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Der
Konverter ist ein Bauwerk, das vorrangig in der Nähe der Offshore
Anlagen gebaut wird. Sie kann prinzipiell auch für Binnenland-WKA realisiert
werden.
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Prinzipiell
besteht die Arbeitsweise des Konverters aus zwei verfahrenstechnischen
Schritten:
Im ersten Schritt:
erfolgt die Umwandlung der
witterungsbedingt unregelmäßigen (variablen)
elektrischen Energie der WKA und PVA in potenzielle Energie des
Meerwassers.
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Dies
geschieht durch Pumpen des Meerwassers in einen Wasserspeicher,
in dem das Wasser Träger der
potenziellen Energie wird. Zum Pumpen wird das gesamte Stromaufkommen
von WKA und PVA benutzt.
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Als
Zusatzquelle der potenziellen Energie dient Regenwasser, das abgefangen
und in den Wasserspeicher geleitet wird.
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Im
zweiten Schritt:
erfolgt die kontinuierliche Umwandlung der
potenziellen Energie in netzfähige
elektrische Energie mit konstanter Spannung und Frequenz. Diese
wird in einer für
die Grundlast erforderlichen konstanten Menge erstellt, die nach
der erforderlichen Transformation ins Netz geliefert wird.
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Die
Umwandlung erfolgt durch eine Turbine und einem Generator. Das Meerwasser
wird aus den Wasserspeichermengen geregelt durch die Turbine zurück ins Meer
geführt
und die dabei entstandene kinetische Energie wird durch die Turbine
und dem Generator in mechanische und elektrische Energie umgewandelt.
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Der
Konverter wird auf die kontinuierliche Erstellung einer konstanten
Energiemenge ausgelegt, die für
die Grundlast erforderlich ist. Die Auslegung basiert auf der Zahl
der Betriebsstunden der Offshore Anlage und auf der durchschnittlichen
Energiemenge der WKA und PVA während
dieser Betriebsstunden.
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An
Windparkstandorten in der Nähe
der deutschen Nordseeküste
liegt die Zahl der Betriebsstunden von WKA in durchschnittlichen
Jahren bei etwa 7.500 Stunden. Das entspricht etwa 85% der Jahresstunden. (5)
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Die
Zusammenfassung der Grundfunktionen des Konverters ist im Folgenden:
- • die
Schwankungen zwischen der variablen witterungsbedingten und der
erforderlichen konstanten Energiemenge durch die Reserven der potenziellen
Energie auszugleichen,
- • die
entsprechende Reserve der potenziellen Energie zu bilden und
- • die
für die
Grundlast erforderliche konstante Menge von netzfähiger elektrischer
Energie mit konstanter Spannung und Frequenz kontinuierlich zu erzeugen.
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Die
einzelnen Funktionszustände
des Konverters sind im Folgenden:
Die variable Energiemenge
entspricht der erforderlichen konstanten Energiemenge:
- 1. Schritt: Pumpen des Meerwassers in den Wasserbehälter oder
Regelungsbecken
- 2. Schritt: Entleerung/Erstellung der netzfähigen elektrischen Energie
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Die
variable Energiemenge ist höher
als die erforderliche konstante Energiemenge:
- 1.
Schritt: Reservebildung
- 2. Schritt: Entleerung/Erstellung der netzfähigen el. Energie
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Die
variable Energiemenge ist niedriger als die erforderliche Energiemenge:
- 1. Schritt: Kompensierung des Leistungsunterschiedes
durch Nutzung der Reserve
- 2. Schritt: Entleerung/Erstellung der netzfähigen el. Energie
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Keine
variable Energiemenge vorhanden (Windflaute oder keine Sonneneinstrahlung):
- 1. Schritt: Reservenutzung
- 2. Schritt: Entleerung/Erstellung der netzfähigen el. Energie
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Keine
variable Energiemenge und keine Reserve:
Nutzung der Kraftwerkreserve-
und Netzzusatzleistungen
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Mit
der Erfindung werden fast alle Nachteile der o. g. erneuerbaren
Energiequellen gelöst
und es kann ihre Grundlastigkeit gesichert werden. Durch die Sicherung
der Grundlastigkeit könnten
die WKA und PVA in der Zukunft fast vollständig die konventionellen Kraftwerke
ersetzen.
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Die Vorteile der Erfindung
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Durch
die jederzeit kontrollierbare Menge der potenziellen Energie ist
auch die zeitliche Bereitstellung der in Ausnahmefällen erforderlichen
Kraftwerkreserve- und Netzkapazitäten gut planbar.
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Die
Kraftwerkreserve- und Netzzusatzleistungen können auf ein vernünftiges
Maß beschränkt werden und
dadurch können
auch die WKA/PVA sicher und wirtschaftlich betrieben werden.
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Eine
Anlage bestehend aus Konverter und WKA/PVA stellt eine Lösung dar,
die die Funktion eines CO2 freien Kraftwerkes
mit einem sehr hohen Wirkungsgrad erfüllen kann.
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Die
Investitions- und Betriebskosten, die elektrische Leistung und der
Strompreis können
genau kalkuliert werden.
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Die
Realisierung eines Konverters ist mit bekannten Baumethoden möglich.
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Für den Bau
von kleineren Konwertern im Binnenland kann der Wasserspeicher neben
einem Fluss aufgebaut und mit Flusswasser benutzt werden.
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Ausführung
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Der
Konverter besteht aus folgenden Teilen (siehe Zeichnung in der Anlage):
- • aus
einem geschlossenen Wasserspeicher (Fig. 1), in den das
Meerwasser gepumpt und zur Energieerstellung entnommen wird,
- • aus
an den Oberflächen
des Wasserspeichers platzierten Fotovoltaikanlagen (PVA) (Fig. 14),
für die
Erstellung der elektrischen Energie,
- • aus
einer Regenwasser–Auffangeinrichtung
(Fig. 2) für
die Bildung von zusätzlicher
potenzieller Energie, die das Regenwasser (Fig. 11) auffängt und
in den Speicher (Fig. 1) leitet,
- • aus
einem Regelungsbecken (Fig. 3), das unter dem Wasserspeicher
platziert ist und den optimalen Betrieb der Stromerzeugung sichert – das Becken
sammelt die geregelten Wasserströme
aus den Zellen, erzeugt eine konstante Wasserschicht und sichert
die horizontale oder vertikale Durchströmung der Turbine.
- • aus
einem Technikraum in dem sich die Pumpen (Fig. 4), die
Turbine (Fig. 5) mit dem Generator (Fig. 6) und
der el. Regelung und der Trafo (Fig. 7) befinden.
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Die
Pumpen (Fig. 4), die das Wasser (Fig. 8) in den
Wasserspeicher (Fig. 1) pumpen, werden durch die elektrische
Energie aus WKA (Fig. 9) und PVA (Fig. 10) betrieben.
Die Pumpen können
im bestimmten Funktionszustand auch unmittelbar in das Regelungsbecken
(Fig. 3) pumpen.
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Aus
dem Trafo (Fig. 7) wird die netzfähige elektrische Energie mit
konstanter Spannung und Frequenz (Fig. 12) ins Netz transportiert.
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Das
Volumen des Wasserspeichers (Fig. 1) wird aufgrund der
Größe des Windparkes,
der Anzahl der Betriebsstunden und der Ergebnisse von statistisch
erfassten Leistungen ausgelegt und kann von mehreren Hunderttausend
bis zu mehrere Millionen m3 erreichen. Die
Maße des
Bauwerkes können
Hunderte von Meter betragen und der Konverter kann z. B. auch als
eine künstliche
Insel realisiert werden.
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Der
Wasserspeicher (Fig. 1) besteht aus mehreren senkrechten
Zellen, von denen einige zum Befüllen,
bzw. Entleeren und zur Reservebildung durch Lager des Meerwassers
benutzt werden. Die Prozesse können
auch gleichzeitig ablaufen.
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Die
Zelten können
aus Stahl oder aus Beton realisiert werden. Für die Ausführung aus Beton bietet sich
die Gleit- oder Modulbauweise an.
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Bei
einer Realisierung durch die Modulbauweise werden die Zellen aus
vorgefertigten und transportfähigen
Modulen in Form von Walzen, Würfeln
oder Quadern (Fig. 1.1) am Standort des Konverters aufgebaut. Vorteil
dieser Lösung
ist, dass das Volumen des Wasserspeichers bei der Erweiterung der
Offshore Anlage sowohl durch die Erhöhung der bestehenden Zellen,
als auch durch Bau von neuen Zellen erweitert werden kann.
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Der
Boden eines Behältermoduls
kann mit einem Ventil (Fig. 1.2) versehen werden, durch
den das Fließen
des Meerwassers geregelt werden kann. Die Regelung des gesamten
Wasserflusses erfolgt durch am Boden der Zellen platzierten Regelventilen
(Fig. 1.3) mit denen das Öffnen/Schließen bedarfsbedingt
geregelt wird.
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Für die Konvertierung
der potenziellen Energie des Meerwassers in netzfähige elektrische
Energie werden geeignete Turbinen mit nachgeschalteten Generatoren
und Trafos benutzt. Hinzu kann z. B. eine Kaplan-Turbine eingesetzt
werden, da diese für
mittlere und geringe Fallhöhen
geeignet ist. Diese Turbinenart weist in einem weiten Belastungsbereich
einen Wirkungsgrad von 80 bis 95% auf.
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Die
Turbine (Fig. 4) wird zwischen dem Regelungsbecken (Fig. 3)
und dem Meeresspiegel platziert.
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Das
Regelungsbecken (Fig. 3) erfüllt folgende Funktionen:
- • unmittelbare
Befüllung
durch die Pumpeinheit, falls die variable Energiemenge der erforderlichen
konstanten Energiemenge entspricht,
- • geregeltes
Sammeln der Wasserströme
aus den einzelnen Zellen des Wasserspeichers,
- • Erzeugung
einer konstanten Wasserschicht, die zum optimalen Betrieb der Turbine
erforderlich ist,
- • Sicherung
der horizontalen oder vertikalen Durchströmung der Turbine abhängig von
der Turbinenart.
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Rechnet
man mit einem 80%-igen Wirkungsgrad des Pump- und einem etwa 95%-igen
Wirkungsgrad des Turbinenbetriebes, würde der Gesamtwirkungsgrad
des Konverters etwa 75% erreichen.
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Der
Energieverlust kann mit dem Strom der PVA und durch das Zusatzvolumen
des Regenwassers kompensiert werden. Ein Teil der elektrischen Energie
der PVA kann mittels Batterien gespeichert werden und zur Sicherung
der Not-, Regelung- und Hilfseinrichtungen benutzt werden.
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Die
Pumpen und Turbinen werden im Gegenteil zu einem Pumpspeicherwerk
nicht abwechselnd, sondern zeitlich parallel benutzt, da es sich
nicht um bedarfsbedingtes „entweder
Füllen
oder Entleeren”,
sondern um geregelte konstante Erstellung von elektrischer Energie
mit der konstanten Spannung und Frequenz handelt.
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Die
technischen Anlagenteile wie Pumpen, Turbinen, Generatoren, Öffnungsarmaturen
der Silozellen und Regelungselemente werden in einer gegenüber dem
Meerwasser widerstandsfähigen
Ausführung
durchgeführt.
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Standorte des Konverters
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Der
Standort eines Konverters wird den konkreten Bedingungen angepasst
werden, unter denen die Offshore WKA aufgebaut wird.
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Die
möglichen
Standorte sind:
- • Küste,
- • Küstengewässer,
- • offenes
Meer – in
der unmittelbaren Nahe von Offshore-WKA (ähnlich einer Bohrinsel),
- • natürliche oder
künstliche
Inseln, (wie z. B. nicht mehr benutzte Bohrinseln), die als Basis
für den
Bau eines Konverters benutzt werden können.
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In
Hinsicht auf die Größe des Konverters
können
auf dessen Oberfläche
Zusatzanlagen und Bauten, wie Meerwasser-Entsalzungsanlagen, Anlagen
zu Wasserstofferstellung, Hotels, u. ä. platziert werden. So kann
die wirtschaftliche Effizienz des Konverters erhöht werden.
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Vergleich Konverter-Pumpspeicherwerk
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Die
Erfindung assoziiert eine Ähnlichkeit
mit einem Pumpspeicherwerk, da hier zur Erstellung der potenziellen
Energie auch Wasser benutzt wird. Auch ein Teil des Wassers wird
in einem Konverter gespeichert. Dies sind die einzigen vergleichbaren
verfahrenstechnischen Merkmale zwischen beiden und sind auch nicht Gegenstand
dieses Gebrauchsmusters.
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Außer diesen
Merkmalen gibt es – wie
im Weiteren beschreiben – keine Übereinstimmung
zwischen der Funktion und technischen Ausführung beiden Anlagen.
| Pumpspeicherwerk | Konverter
(Erfindung) |
| Für den Bau
eines Pumpspeicherwerks werden die Gegebenheiten des Naturgeländes (Seen
oder Kavernen) benutzt und zwar üblicherweise
in gebirgigen Landschaften um große Höhenunterschiede – und dadurch
hohe Wassergeschwindigkeiten beim Entleeren – zu erreichen. | Ein
Konverter ist ein künstliches
Bauwerk, der auch im Meer oder an der Meeresküste z. B. in Form von einem
Hochgebäude
(z. B. in Form von einem Silo) gebaut wird. Auch der Bau aus vorgefertigten
Modulen, die waagerecht hingestellt und/oder senkrecht gestapelt
werden, ist möglich. |
| Ein
Pumpspeicherwerk dient zur Speicherung der Überschussenergie von konventionellen
Kraftwerken, zum Spitzenlastausgleich und zur Stromnetzregelung. | Der
Konverter dient zur Umwandlung des unregelmäßigen Aufkommens der elektrischen
Energie aus WKA und PVA in netzfähige
elektrische Energie mit konstanter Spannung und Frequenz, die zur
Sicherung der Grundlast in Netz benutzt wird. |
| Das
typische Kennzeichen eines Pumpspeicherkraftwerkes ist der reversible
Anlagenbetrieb. | Kennzeichnend
für einen
Konverter ist der voneinander unabhängige Anlagenbetrieb des Füll- und Entleerungsvorganges. |
| Ein
Pumpspeicherwerk arbeitet mit einem mehrere hundert Meter großen Höhenunterschied
da es schnell große
Leistungen bringen muss. Zur Stromerstellung werden hier üblicherweise
Francis-Turbinen eingesetzt. | Ein
Konverter arbeitet kontinuierlich, und da er keine schnelle Leistung
bringen muss, ist die Höhe
der Wassersäule
nicht gravierend wichtig. Da unterhalb des Wasserbehälters in
einem Sammelbecken eine relativ niedrige Wasserschicht erzeugt wird,
bietet sich hier den Einsatz einer Kaplanturbine an, da diese auch
bei geringen Fallhöhen
von unter 50 m sehr gut funktioniert. |
| Im
Pumpspeicherwerk sind die drei Einheiten die Turbine, der Motor-Generator
und die Pumpe auf einer Welle montiert und bilden eine Einheit,
die zwei Betriebsarten hat:
• beim Strombedarf arbeitet
der Motor-Generator
als Generator und liefert, angetrieben von der Turbine, elektrischen
Strom. Das Wasser fließt
dabei vom Ober- ins Unterbecken und liefert die Antriebsleistung.
• bei dem Überschuss
an elektrischer Leistung im Stromnetz arbeitet der Motorgenerator
als Elektromotor und treibt die Pumpe an, welche das Wasser wieder
in das Oberbecken pumpt. (4) | Die
zwei Einheiten des Konverters, Pumpe-Motor und Turbine-Generator
arbeiten unabhängig
voneinander und sind mechanisch nicht verbunden, sondern laufen
parallel:
• die
Turbine-Generator Einheit arbeitet ständig, also auch im Falle der
Windflaute, und liefert elektrischen Strom. Das Wasser fließt dabei
aus dem Sammelbecken des Konverters ins Meer.
• die Pumpe-Motor
Einheit läuft
nur dann, wenn naturbedingt Wind- oder Sonnenstrom erzeugt wird. |
| Diese
Funktion ist nicht vorhanden. | Falls
der Input der Energiemenge der WKA/PVA höher wird als die erforderliche
Output-Energiemenge wird
der Überschuss
zum Aufbau der Wasserreserve benutzt. Falls sie niedriger wird oder
witterungsbedingt zeitweilig nicht vorhanden ist, wird die Wasserreserve
zur Stromerstellung benutzt. |
| Ein
Pumpspeicherwerk wird meist so ausgelegt, dass die Generatoren ca.
4 bis 8 Stunden unter Volllast Strom produzieren können.
Die
Pumpspeicherwerke werden zur Regelung des Stromnetzes benutzt und
die Leistung steht bei Bedarf innerhalb von Minuten zur Verfügung und
kann in einem weiten Bereich flexibel geregelt werden. | Der
Konverter wird auf eine konstante Output-Energiemenge ausgelegt, deren Höhe sich
auf die gesamte Input-Energiemenge der WKA/PVA orientiert. Zum Spitzenleistungsausgleich
ist er nicht geeignet.
Der Output des Konverters kann in einem
weiten Bereich flexibel geregelt werden. |
| Diese
Regelenergie kann sowohl zum Abfangen von Bedarfsspitzen als auch
zum Abfangen plötzlicher Verbrauchseinbrüche eingesetzt
werden. (7) | Der
Outputenergie dient zur Grundlastsicherung im Netz. |
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Quellen:
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- (1) WirtschaftsWoche 23/2010, S. 77–79
- (2) www.welt.de/die-welt/wirtschaft/article6825340/Mangel-an-Stromspeichern-bremst-emeuerbare-Energien.html
- (3) WirtschaftsWoche 27/2010, S. 72–76
- (4) Volker Quaschning: Grundlastkraftwerke: Brücke oder
Krücke
für das
regenerative Zeitalter, Sonne Wind & Wärme 05/2010, S. 10–15
- (5) www.innovations-report.de/html/berichte/umwelt_naturschutz/bericht-14579.html
- (6) http://www.energieblog24.de/pumpspeicherkraftwerke
- (7) http://de.wikipedia.org/wiki/Pumpspeicherkraftwerk