DE202012006146U1

DE202012006146U1 - Energieerzeugung mit Energiespeicheranlage im Inselbetrieb

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Publication number: DE202012006146U1
Application number: DE202012006146U
Authority: DE
Original assignee: Thixo II GmbH
Current assignee: Thixo II GmbH
Priority date: 2012-06-22
Filing date: 2012-06-22
Publication date: 2012-07-10
Anticipated expiration: 2022-06-23

Abstract

Energieerzeugungsanlage (10; 20; 30; 40) mit mindestens einer Energiewandlereinheit (11; 21; 31; 41a, 41b, 41c), die natürlicherweise vorhandene Energie – wie etwa Wind-, Sonnen-, Wärme-, oder Wasser-Energie – direkt oder indirekt über mindestens einen Stromgenerator (12a, 12b; 22; 32; 42) in elektrischen Strom umwandeln kann, welcher über eine Stromausgangsleitung (12a', 12b'; 22'; 32'; 42') des Stromgenerators (12a, 12b; 22; 32; 42) einem öffentlichen Strom-Netz (N) zugeführt wird, wobei eine Energiespeicheranlage (13; 23; 33; 43) vorgesehen ist, die einen Verdichter (14; 24; 34; 44) zur Erzeugung von Druckgas (G), einen Druckgasbehälter (15; 25; 35; 45; 55) zur Aufnahme und Speicherung des erzeugten Druckgases (G) und einen Drehmomenterzeuger (16; 26; 36; 46) zur Umwandlung von Druck des Druckgases (G) in mechanische Bewegungsenergie umfasst, und wobei dem Drehmomenterzeuger (16; 26; 36; 46) ein Stromgenerator (12b; 22; 32; 42) nachgeschaltet ist, der die mechanische Bewegungsenergie des Drehmomenterzeugers (16; 26; 36; 46) in elektrischen Strom...

Description

Die Erfindung betrifft eine Energieerzeugungsanlage mit mindestens einer Energiewandlereinheit, die natürlicherweise vorhandene Energie wie etwa Wind-, Sonnen-, Wärme-, oder Wasser-Energie direkt oder indirekt über mindestens einen Stromgenerator in elektrischen Strom umwandeln kann, welcher über eine Stromausgangsleitung des Stromgenerators einem öffentlichen Strom-Netz zugeführt wird, wobei eine Energiespeicheranlage vorgesehen ist, die einen Verdichter zur Erzeugung von Druckgas, einen Druckgasbehälter zur Aufnahme und Speicherung des erzeugten Druckgases und einen Drehmomenterzeuger zur Umwandlung von Druck des Druckgases in mechanische Bewegungsenergie umfasst, und wobei dem Drehmomenterzeuger ein Stromgenerator nachgeschaltet ist, der die mechanische Bewegungsenergie des Drehmomenterzeugers in elektrischen Strom umwandeln und dem öffentlichen Strom-Netz zuführen kann.
Ähnliche Energieerzeugungsanlagen wurden auf dem Innovationstag Energie 2007/Cottbus „Speichertechnologien/Adiabates Druckluftspeicher-Kraftwerk” von einem Konsortium für Advanced_Adiabat-Compressed_Air_Energy_Storage AA-CAES vorgestellt. Der Vortrag ist im Internet abrufbar.
Energiespeichertechniken sind sehr gefragt, weil eine direkte Stromspeicherung in größeren Mengen kaum realisierbar ist. Der Energieverbrauch verläuft aber immer kurvenreich mit vielen verteilten Maxima und Minima. Ausgeprägte Unterschiede sind im Vergleich von Tag- und Nachtbedarf vorhanden. Pumpkraftspeicherwerke sind hier bisher die Ausgleichstechnologie, die zwischen Verbrauch (Pumpenbetrieb) und Stromerzeugung (Generatorbetrieb) in kürzester Zeit umschalten können und damit Angebot und Nachfrage auf das gleiche Niveau bringen können. Genutzt wird hier die gespeicherte potentielle Energie einer Wassersäule im Triebwasserstollen, der mit einem Stausee verbunden ist. Diese Art von Energiespeicherung setzt geologische und geografische Gegebenheiten voraus, die z. B. in den Alpen bestens gegeben sind.
Mit dem technischen Fortschritt der Windräder oder auch der Solartechnik entsteht die elektrische Energie jedoch zeitlich willkürlich und örtlich durchaus im Flachland oder im offshore Windpark. Natürlich nutzbare Energiespeicher sind hier kaum vorhanden und für die Weiterleitung der elektrischen Energie benötigt man ein Überlandleitungsnetz mit großer Transportkapazität, das auch Spitzenlasten weit verteilen kann. Es sind aber gerade die kleineren und örtlich verteilten Energieerzeugungsanlagen, welche die geforderten Spitzenlasten örtlich begrenzt abdecken könnten, falls sie zum richtigen Zeitpunkt gespeicherte Energie als Strom ins öffentliche Netz einspeisen könnten.
Der oben zitierte Vortrag skizziert die Arbeitsweise eines CAES in Huntdorf (hier abgekürzt: CAES_HT) realisierten Druckluftspeicherkraftwerkes. Als Druckluftspeicher werden großvolumige Kavernen genutzt, wobei sich dieser Druck im Betrieb zwischen 50 und 70 bar bewegt. Der Druck wird mittels eines Kompressors aufgebaut, der durch eine Motor/Generator Einheit (Motorbetrieb) angetrieben wird. Zur Stromerzeugung (Generatorbetrieb) wird diese Einheit mit dem erzeugten Drehmoment einer Gasturbine gekoppelt, die zusätzlich zur genutzten Druckluft mit Erdgas betrieben wird. Es wird deshalb für die Gesamtanalage nur ein Wirkungsgrad von 42% genannt.
Eine weitere zitierte A-CAES Anlage, Mcintosh, (hier abgekürzt: CAES_MC) nutzt die bei der Verbrennung des fossilen Gases in einer Turbine entstehende Abwärme durch einen Rekuperator (Vorwärmen der Druckluft) und erhöht damit den Wirkungsgrad auf immerhin 54%.
Ein weiteres zitiertes, von der EU gefördertes AA-CAES Projekt in Form einer Studie (hier abgekürzt: CAES_EU), kommt ohne fossile Gase aus und erhöht damit den Wirkungsgrad auf 70%.
Nachteilig am CAES_HT ist die geologische und geografische Abhängigkeit von sehr großvolumigen Kavernen, deren Betriebsdruck mit 50 bis 70 bar relativ niedrig ist und damit den zusätzlichen Bedarf an fossilem Gas erforderlich macht. Damit ist eine Gasturbine als Drehmomenterzeuger notwendig. Ebenso ist es nachteilig, dass die Motor/Generator-Einheit vom genormten öffentlichen Netz (z. B. feste Spannungen und eine feste Einspeisungsfrequenz von 50 Hz) abhängig ist. Ebenso könnten örtlich verteilte Energieerzeuger nur über das öffentliche Netz den Druckluftspeicher nutzen. Letztendlich ist an dieser Variante auch nachteilig, dass die Abwärme durch die Verbrennung von fossilem Gas und die Komprimierung der Umgebungsluft nicht zur Druckerhöhung im Druckluftspeicher genutzt wird.
CAES_MC hat ebenfalls alle aufgezählten Nachteile des CAES_HT, bis auf die Nutzung der Abwärme (Rekuperator) die in den Gasturbinen entsteht.
CAES_EU arbeitet mit einer speziellen Expansionsturbine, die ohne zusätzliches fossiles Gas auskommt. Ansonsten sind auch hier die genannten Nachteile beständig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, eine Energieerzeugungsanlage der eingangs beschriebenen Art mit möglichst einfachen technischen Mitteln so zu modifizieren, dass ein Druckgasspeicher mit genügend großer Kapazität und Druckfestigkeit, sowie mit geologischer und geografischer Unabhängigkeit aufgeladen werden kann, ohne den genormten Strom aus dem öffentlichen Netz einzusetzen zu müssen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß auf wirkungsvolle Weise dadurch gelöst, dass die Energiewandlereinheit und die Energiespeicheranlage so ausgestaltet sind, dass sie gemeinsam im Inselbetrieb ohne Anschluss an das öffentliche Strom-Netz autark betrieben werden können, dass eine Schalteinrichtung vorgesehen ist, mittels derer die Stromausgangsleitung des Stromgenerators vom öffentlichen Strom-Netz getrennt werden kann, und dass der Verdichter direkt mit Energie aus der Energiewandlereinheit beschickt werden kann.
Die andere Wirkungsweise der Erfindung kann man zunächst erkennen, wenn sich eine Energieerzeugungsanlage im Betriebszustand der Energiespeicherung befindet. Hier hat sich die Energieerzeugungsanlage über die Schalteinrichtung vom öffentlichen Netz abgetrennt und wandelt nun die anstehende Energieform in den Druck eines Gases um, welches sich in einem Druckgasspeicher befindet.
Auf diese Weise können im Inselbetrieb die natürlichen, aber willkürlich entstehenden Energieformen – einschließlich des Stromes, der nicht der Norm des öffentlichen Netzes entspricht – direkt und ohne Umweg über das genormte öffentliche Stromnetz in Druckenergie umgeformt und im Druckgasspeicher gespeichert werden. Beispiele sind: a) Wind » Drehmoment » Druck, b) Sonne » Gleichstrom » Druck, c) Sonne » Wärme » Druck, d) Anlagenabwärme » Druck.
Beispiel für a): In 3 liefert ausschließlich ein Verdichter im Turmkopf direkt Druckluft in den Druckgasbehälter. Das Windrad würde also nur Druckenergie erzeugen. Eine zweite Verdichterstufe im Turmfuß kann optional hinzugefügt werden, wenn ein noch höherer Druck gefordert wird.
Beispiel für b): Im einfachsten Fall könnte man einen Gleichstrommotor benutzen um den Verdichter zu betreiben.
Es ist aber auch denkbar und für gewisse Fälle geradezu ideal, wenn der willkürlich entstehende Gleichstrom zur Elektrolyse von reinem Wasser verwendet wird. Die entstehenden Gase, Wasserstoff und Sauerstoff können in unterschiedlichen Behältern (5) gespeichert, respektive auch verdichtet werden, um bei Bedarf im Triebdruckbehälter (5) Enthalpie durch eine exotherme Reaktion zu erzeugen, die den Druck im Triebbehälter unter dosierter Einspritzung aufrecht erhalten kann.
Beispiel für c): Die vorhandene Wärme durch Sonneneinstrahlung kann mittels Kollektoren und Fluiden in einen adiabaten Wärmespeicher transportiert wird, wobei wiederum bei Bedarf die Wärme zur Erhöhung des Druckes in den Triebdruckbehälter gepumpt werden kann.
Beispiel für d): In ähnlicher Weise kann man die Prozessabwärme, die in den vorgeschlagenen Varianten in erster Linie bei der Verdichtung von Gasen auftritt, in einen adiabaten Wärmespeicher leiten, der durchaus ein Segment des Behälters (5) sein kann.
Diese Beispiele zeigen, dass es sehr sinnvoll ist, das öffentliche Stromnetz auszublenden und die örtlich anfallende Energie direkt mit möglichst wenig Verlust zu speichern. Auch die Einrichtung eines Energieparks mit unterschiedlichen Energiequellen und einem zentralen Druckgasspeicher wie in 4 dargestellt, wäre sehr vorteilhaft.
Natürlich kann es sein, dass der Einsatz von gewissen Hilfsaggregaten, wie Steuerungen, Regeleinrichtung oder eine zusätzliche Hochverdichtung eine Versorgung mit genormtem Netzstrom in geringem Maße notwendig macht.
Von überaus wichtiger Bedeutung ist dabei die Ausgestaltung des zughörigen Druckgasbehälters. Ein solcher Behälter würde in bevorzugter Form mehrere Kammern aufweisen, die schalenförmig angeordnet sind und, wie in 5 dargestellt, für den Hochdruckbetrieb eine innenliegende Kammer aufweist, die als Triebkammer für den Drehmomentwandler genutzt wird. Die sich in Richtung Umgebung befindlichen Kammern mit Mittel- und Niederdruck haben den Vorteil, dass zwischen den Kammerwänden nur Differenzdrücke auftreten, die bautechnisch leichter zu beherrschen sind. Eine weitere konstruktive Maßnahme ist die dargestellte Bogenform, die statisch besondere Vorzüge hat, weil hier besonders gut Druckkräfte aufgefangen werden können. Auch können weitere Formen, wie z. B. Rotationsparaboloide oder Rotationshyperboloide in Betracht kommen.
Das Mehrkammersystem der Druckgasspeicheranlage kann aber auch vorteilhaft dazu verwendet werden, außer Druckluft weitere andere Gase zu speichern, so beispielsweise die bei der Elektrolyse entstehenden Produkte Wasser- und Sauerstoff. Bei Bedarf können diese dann direkt in die innere Triebkammer eingespritzt und zur Reaktion gebracht werden, wobei die entstehende Enthalpie den Druck direkt in der Triebkammer erhöhen kann, und deshalb so gut wie kein Energieverlust auftritt. Wenn Druckregelungen für die Triebkammer eingesetzt werden, kann man sogar die Dosis der Einspritzung als Stellgröße verwenden.
Die andere Wirkungsweise der Erfindung erkennt man aber auch dann, wenn sich eine Energieerzeugungsanlage im Betriebszustand der Stromerzeugung befindet, wobei ein Generator über die Schalteinheit zur Einspeisung an das öffentliche Stromnetz gekoppelt ist. Dabei wird Druckgas aus dem Druckgasspeicher auf einen Drehmomentwandler geleitet. Beispiele sind Pneumatik- oder Hydraulikmotoren, Zylinderdruckkolbenmotoren oder auch Druckentspannungsturbinen.
Wenn man insbesondere von der konventionellen Bauweise einer Windkraftanlage nach heutigem Stand ausgeht, würden zwei Generatoren verwendet. Man würde also im Turmfuß oder in einem Nebengebäude Platz für einen Verdichter und die Einheit-Drehmomentwandler/2. Generator-schaffen. Bei der Umschaltung auf Speicherbetrieb würde der Verdichter den Druck im Druckgasbehälter erhöhen.
Der Verdichter benötigt dafür einen elektrischen Antrieb und unter Umständen auch spezielle Leistungselektronik (z. B. Frequenzumrichter), die in der Lage ist den von der Norm abweichenden Strom des Windrades zu nutzen. Insofern ist die Abkopplung vom öffentlichen Stromnetz notwendig, d. h., die Energieerzeugungsanlage arbeitet damit autark im Inselbetrieb. Man hat nun aber den erheblichen Vorteil, dass man die Windkraftanlage auf höchst mögliche Drehmomenterzeugung einstellen kann, ohne auf die 50 Hz-Norm achten zu müssen.
Ein zusätzliches Ziel der Erfindung muss es jedoch sein, vorteilhafterweise lediglich einen einzigen Generator vorzusehen. Dabei wird der technische Aufwand (wie Raum, Wartung und Kosten) erheblich reduziert. Beim Bau neuer Anlagen wird man daher diese Option bevorzugen.
Eine andere Ausführungsform sieht vor, dass mehrere gleichartige oder unterschiedliche Energiewandlereinheiten z. B. nach a) bis d) vorgesehen sind, die jeweils an eine zentrale Energiespeicheranlage angeschlossen sind. Beispielsweise ist es möglich, die von Windrädern und Sonnenkollektoren an verschiedenen – natürlich nicht zu weit voneinander entfernten – Standorten erzeugte Energie bei einer gemeinsamen Energiespeicheranlage zusammenzuführen und dort zwischenzuspeichern, bis eine Einspeisung in das öffentliche Strom-Netz opportun erscheint. Damit kann etwa ein Energiepark in günstiger Weise aufgebaut und betrieben werden. Es ist in dieser Form auch möglich, vorhandene Energieerzeugungsanlagen um die Speicherkomponente zu ergänzen.
Bei einer alternativen Klasse von Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Energiewandlereinheit eine Windkraftanlage umfasst, dass die Energiespeicheranlage räumlich unmittelbar angrenzend an die Energiewandlereinheit angeordnet ist, und dass die Energiewandlereinheit und die Energiespeicheranlage eine konstruktive Einheit mit gemeinsamer baulicher Plattform bilden. Diese äußerst kompakte Anordnung hat vielerlei Vorteile: Hier kann auch in konstruktiver Einheit der Windradturm integriert werden.
Besonders vorteilhaft sind Weiterbildungen dieser Klasse von Ausführungsformen, welche sich dadurch auszeichnen, dass der Stromgenerator zusammen mit dem Drehmomenterzeuger im Turmkopf der Windkraftanlage und der Verdichter im Turmfuß angeordnet sind.
In dieser Anordnung kann der Windflügel als Drehmomentwandler, je nach Bedarf ein- und ausgekuppelt werden. Es ist aber ebenso denkbar – und ein sehr großer Vorteil dieser Variante –, wenn bei geringem Wind beide Einheiten gemeinsam den Generator drehen. Geradezu hervorragend ist es, wenn die Schalteinheit intelligent ausgestaltet wird (Drehzahlregelung für 50 Hz Energie), wobei die Regeldifferenz entweder auf das Stellglied Drehmomenterzeuger, bei zu niedriger Drehzahl (positives Drehmoment nötig) übergeben wird, oder auf das Stellglied Verdichter (negatives Drehmoment) bei zu hoher Drehzahl geschaltet wird und dabei gezielt Energie entnimmt um den Druck im Druckgasbehälter zu erhöhen.
Günstige Varianten dieser Weiterbildungen sind dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter oder ein Vorverdichter im Turmkopf der Windkraftanlage und der Stromgenerator zusammen mit dem Drehmomenterzeuger im Turmfuß angeordnet sind.
Ein besonderer Vorteil dieser Variante ist, dass die Drehzahl des Windflügels beliebig sein kann und kein technischer Aufwand betrieben werden muss um eine 50 Hz Energie sicherzustellen. Diese Aufgabe kann erfindungsgemäß die Kombination Drehmomentwandler/Generator im Turmfuß lösen, wobei bekannte und übliche Stelleinrichtungen, wie Leitschaufelstellung oder Stellventile und entsprechende Leistungselektronik eingesetzt werden können.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung zeichnen sich dadurch aus, dass der Druckgasbehälter in einem See oder im Meer teilweise unter Wasser angeordnet ist und in seinem unter Wasser liegenden Bereich Druckausgleichsöffnungen zum Ein- oder Ausströmen von Wasser aufweist. Diese Variante kann so für den Druckspeicher viel Volumen bereitstellen. Die bauliche Form kann dabei optimal mit den auftretenden, geringeren Differenzdrücken ausgelegt werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass im Energieerzeugungszustand durch die Ausgleichsöffnungen Wasser eindringt und damit das Volumen verkleinert wird, wodurch im Triebbehälter länger höherer Druck aufrecht erhalten werden kann.
Bei vorteilhaften Weiterbildungen dieser Ausführungsform sind in den Druckausgleichsöffnungen Wasserturbinen angeordnet, die durch in den Druckgasbehälter eindringendes oder aus diesem austretendes Wasser angetrieben werden können. Hiermit kann also ähnlich, wie bei Gezeiten-Kraftwerken zusätzlich Strom erzeugt werden.
Ganz besonders bevorzugt ist auch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energieerzeugungsanlage, die sich dadurch auszeichnet, dass eine Elektrolysevorrichtung zur Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff vorgesehen ist, die mit Strom aus der Energiewandlereinheit betrieben werden kann, dass der Druckgasbehälter mindestens drei Speicherkammern aufweist, von denen die erste mit Wasserstoff und die zweite mit Sauerstoff aus der Elektrolysevorrichtung, die dritte über den Verdichter mit Druckluft aufgeladen werden kann, und dass zusätzlicher Druck in der dritten Speicherkammer durch Temperaturerhöhung aufgrund einer thermischen Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff aus den beiden anderen Speicherkammern erzeugt werden kann. Bei dosierter und geregelter Einspritzdauer kann auf diese Weise der Druck im Druckgasbehälter lange Zeit konstant gehalten werden, was eine Einhaltung der 50 Hz Norm leichter macht.
Auf diese Weise können mit den beschriebenen Varianten viele kleinere dezentrale Energieerzeugungsanlagen mit Speicherfähigkeit entstehen, die zwar jeweils örtlich begrenzt, sich aber ideal an den variablen Strombedarf, wie z. B. den einer Kleinstadt, anpassen können.
In größeren Energieparks (offshore) kann es sein, dass die erzeugte Energie weit über den Bedarf der näheren Umgebung hinausgeht. Auch hier liegt ein großer Vorteil auf der Hand, weil die weit wegführenden Stromtrassen, gezielt durch jeden einzelnen Energiespeicher zeitlich versetzt in Anspruch genommen werden können und damit eine Überdimensionierung dieser Trassen nicht nötig ist.
Die Vorteile der beschriebenen Energiespeicheranlage könnten auch genutzt werden um etwa für ein zeitlich träges Kraftwerk Energie zwischenzuspeichern, um bei einer beabsichtigten Leistungsreduktion keine Energieverluste hinnehmen zu müssen, wenn der Strom nicht verkauft werden kann.
Eine andere Kombination könnte für ein fossiles betriebenes Kraftwerk erhebliche Vorteile bringen, wenn dieses zur Stromerzeugung schwer entflammbare Brennstoffe verwendet, wie beispielsweise Ölschiefer, Ölsand oder auch Abfälle. Der durch andere Energiequellen erzeugte und im Druckgasbehälter gespeicherte Wasserstoff und Sauerstoff könnte hier verwendet werden um den Verbrennungsprozess zu starten, oder aber auch in den Brennkammern die Verbrennung durch örtlich gezielte Einspritzung zu homogenisieren.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den Zeichnungen. Ebenso können die vorstehend genannten und die weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung. In den Zeichnungen wird als Energieerzeugungsanlage bevorzugt ohne Einschränkung der Allgemeinheit als Beispiel eine Windkraftanlage integriert.
Es zeigen:
1 eine schematische Horizontalschnittdarstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energieerzeugungsanlage mit einem von „Netzeinspeisung” auf „Speicherung” umschaltbaren Stromgenerator im Turmkopf einer Windkraftanlage;
2 eine ähnliche, aber noch kompaktere Variante der Erfindung, bei der lediglich ein einziger Stromgenerator benötigt wird;
3 eine weitere kompakte Variante der Erfindung mit einem im Turmkopf einer Windkraftanlage angeordneten (Vor)-Verdichter sowie einem Drehmomenterzeuger mit nachgeschaltetem Stromgenerator im Turmfuß;
4 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energieerzeugungsanlage mit mehreren Energiewandlereinheiten in unterschiedlichen Technologien;
5 einen schematischen vertikalen Querschnitt eines speziellen Druckgasbehälters mit mehreren Kammern, der sich besonders gut zum Aufbau einer Energiespeicheranlage der erfindungsgemäßen Art eignet;
6 ein Parameterdiagramm für den Volumenbedarf in Abhängigkeit vom Druck p₂ in einem Druckgasspeicher, für eine in 24 h erzeugte Energie von [1 ... 10 MWh] als Parameter;
7 ein Parameterdiagramm für die Temperaturveränderung T₂ in Abhängigkeit vom Molvolumen n₂ in einem Druckgasspeicher mit dem Druck p₂ als Parameter; und
8 ein Parameterdiagramm für das gespeicherte Molvolumen n_2,H2O in einem Druckgasspeicher, in Abhängigkeit vom Druck p₂ und V als Volumenparameter.
Fig. 1
Hier handelt es sich um eine Energieerzeugungsanlage 10 bestehend aus einer konventionellen turmförmigen Windradanlage mit Energiewandler 11, einem Generator 12a und der Stromausgangsleitung 12a' zum öffentlichen Netz N. Des Weiteren ist eine Energiespeicheranlage 13 dargestellt mit dem Druckgasbehälter 15, der teilweise unter der Erde B liegt und mit Druckgas G gefüllt ist. Im Speicherbetrieb wird die Stromausgangsleitung 12a' über die Schalteinrichtung 17 vom Netz getrennt und auf den Verdichter 14 geschaltet. Der Druckgasspeicher wird nun aufgeladen. Im Stromerzeugungsbetrieb wird das gespeicherte unter Druck stehende Gas in einem Drehmomenterzeuger 16 entspannt und das Drehmoment über eine Achse an den Generator 12b übertragen. Der Generator liefert nun den erzeugten Strom über die Stromausgangsleitung 12b' in das öffentliche Netz.
In dieser Variante ist es möglich, dass a) der Generator ohne Speicherung in das Netz liefert, b) nur gespeichert wird, ohne ins Netz zu liefern und c) es wird gespeichert und der Generator 12b liefert gleichzeitig an das Netz. Der Fall c) ist dann sinnvoll, wenn der Verdichter nicht normgerechten Strom vom Generator 12a verarbeiten kann.
Fig. 2
Es handelt sich um eine der 1 ähnliche Energieerzeugungsanlage 20, in noch kompakterer Form, bei der lediglich ein einziger Stromgenerator benötigt wird. Damit entfallen vorteilhaft die Komponenten 12b und 12b' der 1.
Die Komponenten im Turmkopf sind: Energiewandler 21, Generator 22 und der Drehmomenterzeuger 26. Der Verdichter 24 befindet sich im Turmfuß und speist den Druckgasbehälter 25, der unter der Plattform 28 angeordneten Energiespeicheranlage 23. Der Druckgasbehälter ist hier offen ausgelegt und hat Ausgleichsöffnungen D, in denen sich auch Wasserturbinen befinden können, wobei ein und ausströmendes Wasser die Turbinen antreibt. Der Standort der Energiespeicheranlage ist bei der skizzierten Variante im Meer, bzw. in einem See mit dem Ufer B. Der Differenzdruck zwischen den Wasserspiegeln W/W' bestimmt hier den Druck des Druckgases G.
Im Speicherbetrieb wird die Stromausgangsleitung 22' über die Schalteinrichtung 27 vom Netz getrennt und auf den Verdichter 24 geschaltet. Der Druckgasspeicher 25 wird nun aufgeladen.
Im Stromerzeugungsbetrieb wird das gespeicherte unter Druck stehende Gas G in einem Drehmomenterzeuger 26 entspannt und das Drehmoment über eine Achse an den Generator 22 übertragen. Der Generator liefert nun den erzeugten Strom über die Stromausgangsleitung 22' in das öffentliche Netz.
Vorteilhaft in dieser Art von Energieerzeugungsanlage 20 ist der hybride Antrieb des Generators 22 durch den Energiewandler 21 und (oder) des Drehmomenterzeugers 26, wobei sich beide unabhängig ein- und auskuppeln können.
Diese Kombination bekommt idealen Charakter, wenn die Schalteinheit 27 intelligent ausgestaltet ist, um die Drehzahl des Generators auf kontant (50 Hz Energie) zu regeln. Dabei kann der Verdichter 24 ein dosiertes negatives Drehmoment vom Generator 22 abspalten und der Drehmomenterzeuger 26 ein dosiertes positives Drehmoment auf die Antriebsachse bringen.
Fig. 3
Es handelt sich um eine der 2 ähnliche Energieerzeugungsanlage 30, wobei im Turmkopfgehäuse nur ein Verdichter 34 eingesetzt wird, der vom Energiewandler 31 ohne weitere motorische Unterstützung betrieben wird und den Druckgasbehälter 35, der unter der Plattform 38 angeordneten Energiespeicheranlage 33 speist. Der Druckgasbehälter ist wie in 2 offen ausgelegt und hat Ausgleichsöffnungen D, in denen sich auch Wasserturbinen befinden können, wobei ein und ausströmendes Wasser die Turbinen antreibt. Der Standort der Energiespeicheranlage ist wiederum im Meer, bzw. in einem See mit dem Ufer B. Der Differenzdruck zwischen den Wasserspiegeln W/W' bestimmt hier den Druck des Druckgases G.
Der Speicherbetrieb wird hier einzig durch die Windenergie aufrecht erhalten. Der Druckgasspeicher 35 wird also willkürlich aufgeladen.
Im Stromerzeugungsbetrieb wird das gespeicherte, unter Druck stehende Gas G in einem Drehmomenterzeuger 36 entspannt und das Drehmoment über eine Achse an den Generator 32 übertragen. Der Generator liefert nun den erzeugten Strom über die Stromausgangsleitung 32' in das öffentliche Netz N, indem die Schalteinheit 37 die Kontakte schließt.
Vorteilhaft ist hier der geringe technische Aufwand und Raumbedarf im Turmkopf, da außerdem noch der motorische Verdichterantrieb wegfällt. Dadurch lassen sich erhebliche Kosten einsparen lassen. Durch die Energiespeicherung kann eine intelligente Schalteinheit 37 die gespeicherte Energie optimal vermakeln.
Fig. 4
Hier ist eine zentrale parkähnliche Energiespeicheranlage 40 gezeigt, die mehrere eigenständige Energiewandler 41a, b, c, ... umfasst, die jedoch nicht den genormten Strom des öffentlichen Netzes N liefern müssen. Der Verdichter 44 wird mit den gelieferten Energien betrieben und speist den Druckgasbehälter 45, der unter der Plattform 48 angeordneten Energiespeicheranlage 43. Der Druckgasbehälter ist wie in 2 offen ausgelegt und hat Ausgleichsöffnungen D, in denen sich auch Wasserturbinen befinden können, wobei ein und ausströmendes Wasser die Turbinen antreibt. Der Standort der Energiespeicheranlage ist wiederum im Meer, bzw. in einem See mit dem Ufer B. Der Differenzdruck zwischen den Wasserspiegeln W/W' bestimmt hier den Druck des Druckgases G.
Der Speicherbetrieb ist hier durch die einzelnen Energiewandler bestimmt. Der Druckgasspeicher 45 wird also willkürlich aufgeladen.
Im Stromerzeugungsbetrieb wird das gespeicherte, unter Druck stehende Gas G in einem Drehmomenterzeuger 46 entspannt und das Drehmoment über eine Achse an den Generator 42 übertragen. Der Generator liefert nun den erzeugten Strom über die Stromausgangsleitung 42' in das öffentliche Netz N, indem die Schalteinheit 47 die Kontakte schließt.
Vorteilhaft ist hier, dass mehrere Energiewandler einen gemeinsamen Druckgasspeicher nutzen können. Technischer Aufwand und Raumbedarf sind dadurch geringer und lassen erhebliche Kosten einsparen. Durch die Energiespeicherung kann eine intelligente Schalteinheit 47 die gespeicherte Energie aller integrierten Energiewandler optimal vermakeln.
Fig. 5
Hier ist ein Mehrkammern-Druckgasbehälter skizziert, der durchaus in allen beschriebenen Energiespeicheranlagen zum Einsatz geeignet ist.
Die Druckkammern 55a, b, c, sind so angeordnet, dass in Richtung Umgebung a » b » c der Druck in Stufen abnimmt und damit eine konstruktive Auslegung für hohe Betriebsdrücke erleichtert, weil nur die anstehenden Differenzdrücke beherrscht werden müssen. Eine weitere konstruktive Maßnahme sind die konvexen Bogenformen die Zugbelastungen vermeiden. Damit lassen sich auch kostengünstige Werkstoffe, wie z. B. Beton einsetzen, die vorwiegend Drucklasten aufnehmen können. Die dabei entstehenden Nahtstellen sind örtlich begrenzt und in ihrer Belastung leichter abzufangen. Volumenmäßig kann man die Kammern so auslegen, dass die benachbarten Kammern z. B. doppeltes Volumen aufweisen und zur Not den höheren Druck aus der inneren Kammer aufnehmen können. Eine Verbindung über einen Überdruckmechanismus ist durchaus denkbar.
Falls die Elektrolyse zu Speicherzwecken vorgesehen ist, können z. B. zwei Kammern für Wasser- und Sauerstoff reserviert sein, wobei diese Gase hier durchaus auch verdichtet gespeichert werden können.
Letztendlich kann eine Kammer auch adiabat ausgelegt sein und beispielsweise als Wärmekapazität mit Wasser gefüllt sein, die zur Speicherung von Abwärme genutzt wird, um später mittels einer Wärmepumpe über eine Temperaturerhöhung im Triebspeicher höheren Druck erzeugen zu können.
Fig. 6
zeigt ein Parameterdiagramm für den Volumenbedarf in Abhängigkeit vom Druck p₂ in einem Druckgasspeicher, für eine in 24 h erzeugte Energie von [1 ... 10 MWh] als Parameter.
An der Ordinate lässt sich ablesen, welche Dimension eine einfache Würfelform haben muss, wenn eine bestimmte in 24 h erzeugte Energie unter einem bestimmten Druck gespeichert werden soll.
Beispiel: Eine Windkraftanlage liefert 24 h gleichmäßig 5 MWh, also 120 MWh. Bei einem zulässigen Druck von 40 MN/m², müsste die Ersatz-Würfelform eine Kantenlänge von ca. 22 m haben.
Die Kurvenschar zeigt auch, dass durch noch höhere Drücke als ca. 40 MN/m² das benötigte Behältervolumen nur noch langsam abnimmt, der technische Aufwand dafür aber erheblich zunehmen würde.
Fig. 7
ein Parameterdiagramm für die Temperaturveränderung T₂ in Abhängigkeit von n₂ [kmol] bzw. m₂ [t], in einem Druckgasspeicher mit dem Druck p₂ als Parameter.
Anhand dieses Diagrammes kann man erkennen, welche Temperaturerhöhung im Druckgasspeicher notwendig wird, wenn im Stromerzeugungsbetrieb Druckluft – und damit Masse – entnommen wird, um den Druck im Druckgasspeicher aufrecht zu erhalten.
Beispiel: In einem Behälter von 1000 m³ befinden sich 464 t Luft mit Umgebungstemperatur ca. T = 300 K. Es soll der Anfangsdruck von p = 40 MN/m² aufrecht erhalten werden. Bei einer Abnahme auf 348 t müsste man die Temperatur im Druckgasspeicher auf ca. 400 K oder etwa 100°C erhöhen, um den Anfangsdruck konstant zu halten. Eine exotherme Reaktion von Wasser- und Sauerstoff im Druckgasspeicher könnte diese Wärmeenergie leicht erzeugen, zumal wenn die Gase an Ort und Stelle durch Elektrolyse entstanden sind. Ohne Nachheizung würde sich bei gleicher Temperatur der Druck auf ca. p = 30 MN/m² verringern. Tatsächlich nimmt die Temperatur durch den negativen Massenstrom aber noch zusätzlich ab und damit würde der Druck noch erheblich tiefer sinken. Es ist zu erkennen, wie vorteilhaft eine Nachheizung durch Verbrennung oder aber auch durch Wärmeaustausch sein kann.
Fig. 8
ein Parameterdiagramm für das gespeicherte Molvolumen n_2,H2 [kmol] in einem Druckgasspeicher, in Abhängigkeit vom Druck p₂ und V als Volumenparameter.
Die Masse des Wasserstoffes stellt gespeicherte Energie dar, die durch eine Reaktion mit Sauerstoff unter Bildung von Wasser (hier Wasserdampf angenommen) als Enthalpie freigesetzt wird, die sich mit der zweiten Formel berechnen lässt.
Beispiel: Ein Druckgasspeicher hat 1000 m³ Volumen und steht mit ca. 18 MN/m² unter Druck, dann sind hier ca. 8000 kmol H₂ gespeichert. Die gespeicherte Energie beträgt dann E_(H2O,Gas) = 67,648·8000 kWh = 541184 kWh = 541,2 MWh. Geht man von einer 8 MWh Windkraftanlage aus, entspräche dies einer Speicherung von 68 h oder 2,82 Tagen im Volllastbetrieb.

Claims

Energieerzeugungsanlage (10; 20; 30; 40) mit mindestens einer Energiewandlereinheit (11; 21; 31; 41a, 41b, 41c), die natürlicherweise vorhandene Energie – wie etwa Wind-, Sonnen-, Wärme-, oder Wasser-Energie – direkt oder indirekt über mindestens einen Stromgenerator (12a, 12b; 22; 32; 42) in elektrischen Strom umwandeln kann, welcher über eine Stromausgangsleitung (12a', 12b'; 22'; 32'; 42') des Stromgenerators (12a, 12b; 22; 32; 42) einem öffentlichen Strom-Netz (N) zugeführt wird, wobei eine Energiespeicheranlage (13; 23; 33; 43) vorgesehen ist, die einen Verdichter (14; 24; 34; 44) zur Erzeugung von Druckgas (G), einen Druckgasbehälter (15; 25; 35; 45; 55) zur Aufnahme und Speicherung des erzeugten Druckgases (G) und einen Drehmomenterzeuger (16; 26; 36; 46) zur Umwandlung von Druck des Druckgases (G) in mechanische Bewegungsenergie umfasst, und wobei dem Drehmomenterzeuger (16; 26; 36; 46) ein Stromgenerator (12b; 22; 32; 42) nachgeschaltet ist, der die mechanische Bewegungsenergie des Drehmomenterzeugers (16; 26; 36; 46) in elektrischen Strom umwandeln und dem öffentlichen Strom-Netz (N) zuführen kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiewandlereinheit (11; 21; 31; 41a, 41b, 41c) und die Energiespeicheranlage (13; 23; 33; 43) so ausgestaltet sind, dass sie gemeinsam im Inselbetrieb ohne Anschluss an das öffentliche Strom-Netz (N) autark betrieben werden können, dass eine Schalteinrichtung (17; 27; 37; 47) vorgesehen ist, mittels derer die Stromausgangsleitung (12a', 12b'; 22'; 32'; 42') des Stromgenerators (12a, 12b; 22; 32; 42) vom öffentlichen Strom-Netz (N) getrennt werden kann, und dass der Verdichter (14; 24; 34; 44) direkt mit Energie aus der Energiewandlereinheit (11; 21; 31; 41a, 41b, 41c) beschickt werden kann.
Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass lediglich ein einziger Stromgenerator (22; 32; 42) vorgesehen ist.
Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeicheranlage (43) räumlich getrennt von der Energiewandlereinheit (41a, 41b, 41c) angeordnet ist.
Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere gleichartige oder unterschiedliche Energiewandlereinheiten (41a, 41b, 41c) vorgesehen sind, die jeweils an eine zentrale Energiespeicheranlage (43) angeschlossen sind.
Energieerzeugungsanlage Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiewandlereinheit (11; 21; 31) eine Windkraftanlage umfasst, dass die Energiespeicheranlage (13; 23; 33) räumlich unmittelbar angrenzend an die Energiewandlereinheit (11; 21; 31) angeordnet ist, und dass die Energiewandlereinheit (11; 21; 31) und die Energiespeicheranlage (13; 23; 33) eine konstruktive Einheit mit gemeinsamer baulicher Plattform (18; 28; 38) bilden.
Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromgenerator (22) zusammen mit dem Drehmomenterzeuger (26) im Turmkopf der Windkraftanlage und der Verdichter (24) im Turmfuß angeordnet sind.
Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (34) oder ein Vorverdichter im Turmkopf der Windkraftanlage und der Stromgenerator (32) zusammen mit dem Drehmomenterzeuger (36) im Turmfuß angeordnet sind.
Energieerzeugungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckgasbehälter (15; 25; 35; 45; 55) in einem See oder im Meer teilweise unter dem Wasserspiegel (W) angeordnet ist und in seinem unter Wasser liegenden Bereich Druckausgleichsöffnungen (D) zum Ein- oder Ausströmen von Wasser aufweist.
Energieerzeugungsanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in den Druckausgleichsöffnungen (D) Wasserturbinen angeordnet sind, die durch in den Druckgasbehälter (15; 25; 35; 45; 55) eindringendes oder aus diesem austretendes Wasser angetrieben werden können.
Energieerzeugungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrolysevorrichtung zur Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff vorgesehen ist, die mit Strom aus der Energiewandlereinheit (11; 21; 31; 41a, 41b, 41c) betrieben werden kann, dass der Druckgasbehälter (15; 25; 35; 45; 55) mindestens drei Speicherkammern (55a, 55b, 55c) aufweist, von denen die erste (55c) mit Wasserstoff und die zweite (55b) mit Sauerstoff aus der Elektrolysevorrichtung, die dritte (55a) über den Verdichter (14; 24; 34; 44) mit Druckluft aufgeladen werden kann, und dass zusätzlicher Druck in der dritten Speicherkammer (55a) durch Temperaturerhöhung aufgrund einer thermischen Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff aus den beiden anderen Speicherkammern (55b, 55c) erzeugt werden kann.