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Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit einer zusätzlichen Energienutzungseinrichtung, wobei wesentliche Teile der Windkraftanlage für die zusätzliche Energienutzungseinrichtung Verwendung finden.
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Windkraftanlagen werden immer häufiger zur Erzeugung der von Industrie und Privathaushalten benötigten Energie genutzt, da sie umweltschonend sind. Weite Bereiche Deutschlands aber auch der Nachbarländer weisen bereits große Windparks auf. Allerdings unterliegen auch die Windkraftanlagen den äußeren Bedingungen. Bei nur schwachen Winden oder gar Windstille wird keine Energie produziert.
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Ein weiteres Problem stellt die Abnahme der erzeugten Energie dar. Die Energie aus Windkraftanlagen steht dann zur Verfügung, wenn sie produziert wird. Oft decken sich jedoch nicht die Zeiten der Energieerzeugung mit den Zeiten, in denen diese Energie benötigt wird. Gerade die Spitzenzeiten des Energieverbrauchs werden dann häufig mit Energie aus weniger umweltfreundlichen Kraftwerken abgedeckt. Neben den Umweltbeeinträchtigungen durch die herkömmlichen Kraftwerke sind insbesondere deren Instandhaltungskosten auch bei Nichtnutzung von hohem Einfluss auf die Stromkosten für den Endverbraucher. Zugleich hat sich das Problem gezeigt, dass die Windkraft zur Produktion von sehr viel Energie in der Lage war, die Abnehmer jedoch fehlten, so dass der Wind nahezu ungenutzt blieb.
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Daher wurden verschiedene Entwicklungen offenbart, die die überschüssige Energie der Windkraftanlagen nutzen und für den Bedarfsfall speichern.
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Der Stand der Technik zeigt in der Offenbarung
DE 20 2012 006 146 U1 eine Energieerzeugung mit einer Energiespeicheranlage im Inselbetrieb. Der Energiespeicher umfasst einen Druckgasbehälter, welcher ins Erdreich eingelassen wird. Auf oder neben dem Druckgasbehälter ist eine Windkraftanlage angeordnet, welche neben den herkömmlichen Vorrichtungen zur Erzeugung von Energie auch Vorrichtungen zur Erzeugung von Druckgas umfasst. Dadurch kann in den Zeiträumen, in denen kein Verbrauch der Windenergie durch externe Verbraucher erfolgt, der Druckgasbehälter mit Druckgas gefüllt werden, welches zu Spitzenzeiten oder bei Flaute zur Stromerzeugung heran gezogen wird. Nachteilig ist, dass zur Speicherung ein sehr aufwendig gestalteter Druckbehälter zusätzlich erstellt werden muss, welcher zusätzlich zur Anlage auch einer Wartung bedarf. Der Platzbedarf dieser Energiespeicheranlage ist immens, so dass in vielen Fällen eine Genehmigung scheitert.
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Daneben ist aus der
DE 20 2008 013 631 U1 die Nutzung des Stahlturmes einer Windkraftanlage als Pressluftspeicher bekannt. Dabei ist der Stahlturm mit Böden geschlossen, so dass sich ein Speicherbehälter aus Turm und Böden bildet. Dieser wird mit Pressluft gefüllt, die bei Bedarf in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Nachteilig ist, dass die konisch zulaufende Form herkömmlicher Windkraftanlagen einen nur schwer herstellbaren und somit kostenintensiven Druckspeicher zulässt. Zudem verhindert ein Druckspeicher die einfache Wartung der Bauelemente innerhalb der Gondel der Windkraftanlage, so dass für den Wartungsfall entweder der Druck vom Speicher genommen werden muss, um ihn begehbar zu machen, oder die Wartung von außen erfolgen muss. Beides ist nicht praktikabel.
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In der Patentschrift
US 2011/0042959 A1 wird in einem Betonsilo, auf dem die Windkraftanlage aufgebaut ist, ein Vakuum erzeugt. Dabei wird mit den Rotorblättern eine Vakuumpumpe angetrieben und ein Unterdruck in dem Betonsilo erzeugt. Bei Bedarf kann über ein Ventil Umgebungsluft in das Betonsilo hineinströmen. Ein Turbinengenerator erzeugt durch die strömende Luft elektrische Energie. Nachteilig hierbei ist die Notwendigkeit eines zusätzlichen Bauwerks, welches erhöhte Planungs- und Herstellungskosten erforderlich macht. Weiterhin werden in der Offenbarung keine Angaben zum Wirkungsgrad der Anlage gemacht, so dass bei der Größe und Form des Betonsilos davon auszugehen ist, dass der Wirkungsgrad des Energiespeichers im Vergleich zu derzeit eingesetzten Windkraftanlagen gering bleibt.
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US2012/0187693 A1 nutzt die Auftriebskammern einer schwimmenden Offshore-Anlage als Energiespeicher. In einer Ausführungsform kann dieser Turmabschnitt als Drucktank zur Aufnahme eines Energiespeichermediums dienen, wie beispielsweise wasserfreies Ammoniak als Wasserstoffträger. Dieses kann aus Strom während Zeiten überschüssiger Energie durch Elektrolyse erzeugt und bei Bedarf in elektrische Energie umgewandelt werden. Auch in der Offenbarung
US2012/0294681 ist die zusätzliche Nutzung der Unterwasserstruktur, die die schwimmenden Windkraftanlagen im Wasser tragen soll, als Energiespeicher bekannt. Diese Form der Energiespeicherung ist nur für Offshore-Anlagen nutzbar und ist im Onshore-Bereich nicht praktikabel, insbesondere auch deshalb, weil bei einer vergleichbaren Gestaltung große Flächen beansprucht werden müssten.
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DE202014100934U1 nutzt Monopile- oder Tripile-Gründungen von Windkraftanlagen zur Energiespeicherung. Während früher derartige Gründungen durch Rammen der Stahlröhren erfolgt sind, werden diese nach dem Stand der Technik heute mit Hilfe von Bohrgeräten, die durch das Innere der Stahlröhre herabgelassen werden, durchgeführt. Die Bohrgeräte entfernen dabei anstehendes Erdreich und saugen dieses ab. Dabei wird ein Loch erzeugt, das einen größeren Durchmesser als die Stahlröhre aufweist. Die Stahlröhre wird schon während des Bohrvorganges in das entstehende Loch hinabgelassen. Dabei wird der beim Bohrvorgang entstehende Spalt zwischen Stahlrohr und Erdreich mit einem als Gleitmittel wirkenden Mörtel verfüllt. Bislang wurde das zuvor abgesaugte Material wieder in die Stahlröhre eingefüllt. Nach
DE202014100934U1 erfolgt aber keine Verfüllung sondern ein Abschluss der Stahlröhre am unteren Ende durch Einfügen einer Stahlplatte oder eines anderen geeigneten, Druck aushaltenden Elements. Das Stahlrohr verfügt an seiner Oberseite über einen Flansch, auf den der Turm der Windkraftanlage, welcher ebenfalls über einen Flansch verfügt, aufgesetzt wird. Zwischen den Flanschen von Stahlröhre und Turm der Windkraftanlage kann ein oberer Abschluss der Stahlröhre eingefügt werden, so dass aus der Stahlröhre ein abgeschlossener druckdichter Raum entsteht.
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Gegebenenfalls muss das Stahlrohr durch druckstabilisierende Bauteile ergänzt werden, um den Druck insbesondere in den Bereichen, die aus dem Erdreich herausstehen, aufzufangen. Dort, wo das Stahlrohr vom Erdreich umgeben ist, werden Drücke an das Erdreich abgegeben. Weiterhin können demgemäß auch andere Vorrichtungen im Zusammenhang mit der Energiegewinnung mit Windkraftanlagen mit vergleichbaren Gründungen ausgestattet sein. So verfügen insbesondere im Offshore-Bereich große Windkraftanlagen mit bis zu 5 MW über eigene Transformatorstationen, welche in der Nähe der Windkraftanlagen angeordnet sind.
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Darstellung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Idee besteht darin, eine Windkraftanlage bereitzustellen, die eine Vorrichtung zur Nutzung der überschüssigen Energie aufweist, welche in bestehende Elemente der Windkraftanlage eingefügt werden kann, ohne deren Betrieb zu behindern.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Windkraftanlage gelöst, welche bevorzugt über Monopile- oder Tripile-Gründung oder eine Gründung mit einer Vielzahl an Rohren im Erdreich, nach der Offenbarung
DE202014100934U1 , verfügt. Es sind auch alle anderen Formen von Gründungen möglich, solange sie Stahlröhren aufweisen, die nicht verfüllt sind. Diese Art der Gründung der Windkraftanlagen dient als Vorrichtung zur Nutzung überschüssiger Windenergie.
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Es ist denkbar, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Nutzung der überschüssigen Energie eine Elektrolyse-Einheit ist, wobei die Elektrolyse-Zelle, in der die Elektrolyse stattfindet, in einem Pile oder Rohr der Gründung gelagert ist und die entstehenden energiespeichernden Stoffe in mindestens zwei anderen Piles oder Rohren der Gründung der selben oder einer weiteren Windkraftanlage aufbewahrt werden. Die Elektrolyse ist ein Prozess, bei dem ein elektrischer Strom eine Redoxreaktion erzwingt. Sie wird beispielsweise zur Gewinnung von Metallen oder zur Herstellung von Stoffen, wie beispielsweise Wasserstoff und Sauerstoff, verwendet. Eine Elektrolyse erfordert eine Gleichspannungsquelle, welche die elektrische Energie liefert und die chemischen Umsetzungen vorantreibt. Elektrischer Gleichstrom wird über Elektroden in eine leitfähige Flüssigkeit, dem Elektrolyten, geleitet. Als Elektrolyt kann beispielsweise Wasser, aber auch jedes andere leitfähige Medium verwendet werden.
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Während der Elektrolyse wird ein Elektronenmangel in der mit dem Pluspol verbundenen Elektrode, im Folgenden Anode genannt, und ein Elektronenüberschuss in der anderen mit dem Minuspol verbundenen Elektrode, im Folgenden Kathode genannt, bewirkt. Die Lösung zwischen Kathode und Anode enthält positiv und negativ geladene Ionen. Positiv geladene Ionen (Kationen) oder elektroneutrale Stoffe nehmen an der Kathode Elektronen auf und werden dadurch reduziert. An der Anode läuft der entgegengesetzte Prozess ab, die Abgabe der Elektronen an die Elektroden. Die Menge der an der Anode übertragenen Elektronen ist gleich der an der Kathode übertragenen. Die an den Elektroden entstehenden energiespeichernden Stoffe werden aufgefangen und in die weiteren Gründungsrohre geleitet, um die Stoffe dort getrennt voneinander zu speichern.
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Es ist denkbar mittels einer ionendurchlässigen Membran den Anodenkreislauf vom Kathodenkreislauf zu trennen, um die an den Elektroden gebildeten Produkte separat zu isolieren. Weiterhin werden dadurch unerwünschte Nebenreaktionen vermieden und es können Elektrodenreaktionen mit einem Separationsschritt kombiniert werden. Es ist weiterhin denkbar, die Gründungsrohre mehrerer Windkraftanlagen zu nutzen, wobei es unerheblich ist, ob diese mit einer Mono- oder Tripile-Gründung versehen sind. So ist es beispielsweise möglich beliebig viele Elektrolyt-Zellen in den Gründungen mehrerer Windkraftanlagen sowie mehrere Speichereinheiten für die entstehenden Produkte in den Gründungsrohren weiterer Windkraftanlagen anzuordnen.
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Es ist weiterhin denkbar, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Brennstoffzelle ist, wobei die galvanische Zelle in einem Pile oder Rohr der Gründung gelagert ist und die energiespeichernden Stoffe in mindestens zwei anderen Piles oder Rohren der Gründung derselben oder einer weiteren Windkraftanlage aufbewahrt werden. Eine Brennstoffzelle wandelt chemische Energie direkt in elektrische Energie um, indem eine Reaktion von Sauerstoff mit dem Brennstoff, der Wasserstoff sein kann, jedoch ebenso aus organischen Verbindungen wie z.B. Methan oder Methanol bestehen kann, erfolgt. Beide Reaktionspartner werden kontinuierlich den Elektroden zugeführt. Während der chemischen Reaktion oxidiert Wasserstoff unter Elektronenabgabe an der Anode und Sauerstoff wird an der Kathode unter Elektronenaufnahme reduziert. Dabei entsteht Wasser. Die Elektroden können beispielsweise aus Metall oder Kohlenstoffnanoröhren bestehen. Zudem können sie wahlweise mit einem Katalysator, zum Beispiel mit Platin oder mit Palladium, beschichtet sein. Es ist außerdem denkbar auf die Elektroden eine Gasdiffusionslage, die an die Gasleitung angeschlossen ist, zu pressen. Diese Schicht ermöglicht, dass die Gase fein zerteilt an die Elektroden herangeführt werden, außerdem reguliert sie einen optimalen Verlauf der Reaktion.
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Es ist denkbar mittels einer ionendurchlässigen Membran den Anodenkreislauf vom Kathodenkreislauf zu trennen. Es werden dadurch unerwünschte Nebenreaktionen vermieden und es können Elektrodenreaktionen mit einem Separationsschritt kombiniert werden. Um die gelieferte Spannung zu erhöhen, können zum einen mehrere Zellen zu einem Stack (engl. für ‚Stapel‘) in Reihe geschaltet werden. Aus diesem Grund können für die erfinderische Idee die Gründungsrohre mehrerer Windkraftanlagen, z.B. eines ganzen Windparks, genutzt werden. Zum anderen kann die gelieferte Spannung durch eine erhöhte Umgebungstemperatur erreicht werden. Es ist daher denkbar eine Heizanlage im Prozess zu integrieren.
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In größeren Windparks ist eine Kombination aus Elektrolyse- und Brennstoffzellen denkbar. Bei einem Überangebot an Energie, wie bspw. bei viel Wind oder in der Nacht, werden die Wasserstoff- und Sauerstoffspeicher durch Elektrolyseprozesse gefüllt und bei einer Energienachfrage, wie bspw. bei wenig Wind oder am Tag, wird die zusätzlich benötigte Energie über die Brennstoffzellen aus den gespeicherten Elektrolyseprodukten erzeugt.
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Weiterhin ist der Einbau einer Redox-Flow-Batterie in die Gründungsrohre einer Windkraftanlage denkbar. Wie auch bei der Nutzung einer Brennstoffzelle ist dabei eine galvanische Zelle in mindestens einem Gründungsrohr eingelassen, in mindestens zwei weiteren werden Elektrolytflüssigkeiten gespeichert. Anders als bei der Elektrolyse- und Brennstoffzelle wird das System in der Regel mit geschlossenen Elektrolytkreisläufen ausgeführt. Die zwei energiespeichernden Elektrolyte zirkulieren dabei in zwei getrennten Kreisläufen. Sie werden dabei mit mindestens zwei Pumpen, sowie den dafür nötigen zusätzlichen Rohrleitungen, Steuer- und Kontrolleinrichtungen in einer ständigen Bewegung gehalten. Die galvanische Zelle selbst ist durch eine Membran in zwei Halbzellen unterteilt. In den Halbzellen befinden sich die Elektroden, an denen die chemische Reaktion in Form einer Reduktion oder Oxidation abläuft. Der Ionenaustausch erfolgt über eine ionendurchlässige Membran. Bei der Umwälzung fließen die Elektrolyte an den Elektroden vorbei und nehmen beim Ladevorgang Energie auf oder geben beim Entladevorgang Energie ab.
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Weiterhin ist die Nutzung der Gründungsrohre durch eine Wasserentsalzungsanlage möglich. In einem oder mehreren Rohren wird der Entsalzungsprozess durchgeführt. In Weiteren kann das salzfreie Wasser zur weiteren Nutzung gelagert werden, wobei Rohre und Pumpen den Transport des Wassers ermöglichen. Die Meerwasserentsalzung ist die Gewinnung von Trinkwasser oder Betriebswasser für Industrie- oder Kraftwerksanlagen aus Meerwasser durch die Verringerung des Salzgehaltes. Die Entsalzung kann auf verschiedenen Verfahren, die Salze und Mineralien aus dem Wasser entfernen, beruhen. Teilweise fallen dabei verwertbare Nebenprodukte wie Kochsalz an. Neben den thermischen Verfahren gehören die Verfahren mit Hilfe semipermeabler Membranen (Osmose, Umkehrosmose, Hyperfiltration), beispielsweise das elektroosmotische Verfahren, zu den verschiedenen Entsalzungsverfahren. Das Aggregat ist durch elektrolytdurchlässige Membranen in mehrere Zellen unterteilt und wird mit Gleichspannung gespeist. Die Gleichspannung wird von der Windkraftanlage selbst an zwei Elektroden geliefert. Zwischen einem selektiv wirkenden Paar von Anionen- und Kationenmembranen fließt jeweils getrennt salzarmes und salzangereichertes Wasser ab.
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Weiterhin ist die Integration einer Gasverflüssigungsanlage in die Gründung der Windkraftanlagen denkbar, wobei zum Einen in einem oder mehreren Rohren die Verflüssigungsanlage, mit Kompressor und Wärmetauschern installiert sein kann. Zum Anderen kann in weiteren Rohren das verflüssigte Gas gespeichert werden. Bei der Gasverflüssigung wird ein Gas oder Gasgemisch in den flüssigen Zustand überführt. Die Gasverflüssigung wird zum Einen erreicht durch eine Abkühlung auf die druckabhängige Sättigungs- bzw. Tautemperatur und einem weiteren Wärmeentzug. Zum Anderen können Verfahren angewendet werden, in denen durch Verdichtung, Abkühlung sowie Entspannungsstufen eine Umwandlung in die flüssige Phase erfolgt. Die je nach Gasart und Gasdruck resultierende Siedetemperatur macht eventuell die Erzeugung tiefer Temperaturen erforderlich. Dies ist stets dann der Fall, wenn die kritische Temperatur des zu verflüssigenden Mediums unterhalb der Umgebungstemperatur liegt, beispielsweise bei Luft (–141 °C). Hierfür ist der Einsatz einer separaten Kältemaschine erforderlich, die das Medium in einen kalten Zustand versetzt.
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Die Gasverflüssigung dient Transport- und Speicherungszwecken von Gasen. Es ist denkbar in einem Winkraftanlagenpark in den Gründungsrohren mindestens einer Windkraftanlage diese zu verflüssigenden Gase durch Elektrolyseprozesse herzustellen, durch Gasverflüssigungsanlagen in weiteren Windkraftanlagen zu speichern und durch die elektrochemischen Prozesse in den Brennstoffzellen in mindestens einer weiteren Windkraftanlage diese wiederum zu verbrauchen. Denkbar ist in diesem Zusammenhang auch, nicht nur die überschüssige Enegrie der Windkraftanlage zu verwenden, sondern die Windkraftanlage allein nur für den Zweck der Gasverflüssigung zu verwenden. Bei einer Verflüssigung von Erdgas wird herkömmlicherweise eine gewisse Menge Erdgas als Energiequelle verwendet, um weiteres Erdgas zu verflüssigen. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Gasverflüssigungsanlage ist, dass (überschüssige) Windenergie verwendet wird und nicht gewonnenes Erdgas.
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Es ist außerdem möglich in die Gründungsrohre der Windkraftanlage Batterien und/oder Li-Ionen-Akkumulatoren und/oder Kondensatoren zu lagern, die durch die überschüssige Windenergie aufgeladen werden. Dabei ist denkbar mehrere Batterien, Li-Ionen-Akkumulatoren oder Kondensatoren im Gründungsrohr zu stapeln und mit einander zu verschalten (Reihen- bzw. Parallelschaltung). Es ist aber auch denkbar nur eine Batterie, ein Li-Ionen-Akku oder einen Kondensator im Gründungsrohr zu installieren, indem das Gründungsrohr mit den notwendigen Elektrolytflüssigkeiten gefüllt wird und entsprechende Membranen und Elektroden installiert werden.
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Denkbar ist weiterhin in die Gründungsrohre mechanische Speicher zu integrieren. Beispielsweise in Form einer Feder. Bei zusätzlicher Energie wird die Feder mechanisch gespannt. Bei einem Energiemangel wird die Feder wieder entspannt. Diese gibt durch die Entspannung mechanisch gespeicherte Energie wieder frei.
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Eine weitere Möglichkeit besteht darin die Gründungsrohre als Bioreaktoren zu verwenden, in denen Pflanzen, Mikroorganismen oder Zellen kultiviert werden. Die überschüssige Energie der Windkraftanlage wird als Energiequelle für die wichtige Faktoren, die in den meisten Bioreaktoren steuerbar oder kontrollierbar sind verwendet, z.B. für die Sauerstoffzufuhr, die Regulierung der Temperatur und des pH-Wertes andere. Zweck der Kultivierung in einem Bioreaktor kann die Gewinnung der Zellen oder von Bestandteilen der Zellen oder die Gewinnung von Stoffwechselprodukten sein. Diese können z. B. als Wirkstoff in der pharmazeutischen oder als Grundchemikalie in der chemischen Industrie verwendet werden. Auch der Abbau von chemischen Verbindungen kann in Bioreaktoren stattfinden, wie z. B. bei der Abwasserreinigung in Kläranlagen. Denkbar ist in diesem Zusammenhang auch, nicht nur die überschüssige Energie der Windkraftanlage zu verwenden, sondern die Windkraftanlage allein nur für diesen Zweck zu verwenden, da Bioreaktoren oftmals eine gleichmäßige Regulierung der genannten Faktoren erfordern.
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Eine Verteilung der Vorrichtungen zur Nutzung der Gründungsrohre einer oder mehrerer Windkraftanlagen, beispielsweise eines Windparks und/oder zentraler Bauteile ist weiterhin denkbar.
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Bei allen Ausführungsformen kann in Erwägung gezogen werden das die Gründungsrohre umgebende Wasser als Kühlmittel zu verwenden. Hierfür können Wasserpumpen verwendet werden, die das Wasser zirkulieren lassen. Dadurch nimmt das kalte Wasser hohe Temperaturen der in den Piles ablaufenden Prozesse auf und gibt die hohen Temperaturen an anderer Stelle wieder an seine Umgebung ab.
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Weiterhin kann in Erwägung gezogen werden, die Techniken der genannten Ausführungsformen miteinander zu kombinieren, um für den benötigten Zweck eine optimale Energiespeicherung zu erreichen.
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Die erfindungsgemäße Idee hat den Vorteil, dass die Nutzung der überflüssigen Windenergie an die Region und den dort herrschenden Bedingungen angepasst werden kann. Beispielsweise ist die energieintensive Gewinnung von Trinkwasser- und Betriebswasser mit fossilen Energieträgern wie Schweröl oder Erdgas in vielen Ländern weit verbreitet. Die zusätzlichen Konstruktionskosten von Windkraftanlagen mit Entsalzungvorrichtungen in ihren Gründungsrohren werden durch die kostengünstigere Herstellung des Trinkwassers gedeckt. Durch die Nutzung der überflüssigen Windenergie kann somit die Herstellung von Trinkwasser kostengünstiger erfolgen. Die zusätzlichen Konstruktionskosten werden durch die Herstellung von Produkten oder die Speicherung der Energie gedeckt, so dass der zusätzliche Energienutzungseffekt eine Effizienzsteigerung der Gesamtanlage mit sich bringt.
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Der Vorteil bei der Verwendung einer Elektrolyse und/oder einer Brennstoffzelle, ist die Speicherung überflüssiger Energie bei viel Wind und/oder der Verbrauch gespeicherter Energie bei wenig Wind. Durch die Umkehrung der Wasserelektrolyse in einer Brennstoffzelle kann ein Teil der ursprünglich eingesetzten Energie wieder zurückgewonnen werden. Das gleiche gilt für den Einsatz von Redoxflow-Batterien: Die permanente Zirkulation der Elektrolyten speichert Energie bei einem Überangebot und gibt Energie bei einem Energiemangel ab. Die zusätzlichen Konstruktionskosten sind geringer als bei einem Anbau zusätzlicher Bauwerke für Elektrolyseeinheit, Brennstoffzelle, Redoxflow-Batterie und für die energiespeichernden Stoffe. Weiterhin werden die zusätzlichen Konstruktionskosten durch die Speicherung der Energie gedeckt, so dass der zusätzliche Energienutzungseffekt eine Effizienzsteigerung der Gesamtanlage mit sich bringt.
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Ausführung der Erfindung
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Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
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1 eine Windkraftanlage mit einer Elektrolyse- bzw. einer Brennstoffzelle als zusätzliche Energienutzungseinrichtung,
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2 eine Windkraftanlage mit einer Redoxflowbatterie als zusätzliche Energienutzungseinrichtung und
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3 eine Windkraftanlage mit einer elektroosmotischen Entsalzungsanlage als zusätzliche Energienutzungseinrichtung.
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1 zeigt eine Offshore-Windkraftanlage 1 mit einer Tripile-Gründung 41, wobei die Gründungsrohre nicht verfüllt sind. In einem der drei Gründungsrohre befindet sich die Elektrolysezelle 5, in der zwei Elektroden 51 (mit Anode 511 und Kathode 512) angeordnet sind, die den Elektrolyseprozessen in diesem Gründungsrohr dienen. Elektrischer Gleichstrom, entweder direkt erzeugt von der Windkraftanlage 1 oder erzeugt über einen Gleichrichter, wird über die Elektroden 51 in eine leitfähige Flüssigkeit, dem Elektrolyten 53, geleitet. Als Elektrolyt 53 wird in diesem Ausführungsbeispiel Wasser 9 aus der Umgebung über ein Ventil 10 in die Elektrolysezelle 5 transportiert. Die an den Elektroden 51 entstehenden Gase werden aufgefangen und über Rohrleitungen 7 in die weiteren Gründungsrohre 6 geleitet, um die Gase dort getrennt voneinander zu speichern. Rückschlagventile 8 verhindern ein Zurückströmen der Gase. Eine ionendurchlässige Membran 52 trennt den Anodenkreislauf vom Kathodenkreislauf.
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Anhand 1 kann ebenfalls eine Windkraftanlage 1 mit einer Brennstoffzelle als zusätzliche Energienutzungseinrichtung erläutert werden. Die Brennstoffzelle 5 ist in einem Gründungsrohr der Tripile-Gründung 41 der gezeigten Windkraftanlage 1 integriert und besteht aus Elektroden 51, die durch eine semipermeable Membran 52 und einem Elektrolyt 53 voneinander getrennt sind. Die Reaktionspartner werden aus den Speichern 6 über die Rohrleitungen 7 kontinuierlich den Elektroden 51 zugeführt. Rüchschlagventile 8 verhindern dabei ein Zurückströmen der Reaktionspartner. Bei der chemischen Reaktion entsteht Wasser, welches über das Ventil 10 an das umgebende Wasser 9 abgegeben wird und Energie, die über die Elektroden 51 an den Wechselrichter 2 und anschließend weiter an das Stromnetz 3 weitergeleitet wird.
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Weiterhin ist der Einbau einer Redox-Flow-Batterie in die Gründungsrohre 41 einer Windkraftanlage 1 denkbar, gezeigt in 2. Die galvanische Zelle 11 ist in mindestens einem Gründungsrohr eingelassen, in mindestens zwei weiteren Gründungsrohren 6 werden Elektrolytflüssigkeiten 113 gespeichert. Die Zelle 11 und die Speicher 6 sind durch Rohrleitungen 7 miteinander verbunden. Zusätzliche Rohrleitungen mit Pumpen 114 sorgen für die Umwälzung der Elektrolyte 113. Die galvanische Zelle 11 ist durch eine Membran 112 in zwei Hälften unterteilt, um eine Vermischung der Elektrolytflüssigkeiten zu verhindern. In den Halbzellen befinden sich die Elektroden 111 (mit Anode 1111 und Kathode 1112). Bei der Umwälzung fließen die Elektrolytflüssigkeiten 113 von den Speichern 6 an den Elektroden 111 in der galvanischen Zelle 11 vorbei und wieder zurück zu den Speichern 6. Dabei nehmen die Elektrolytflüssigkeiten 113 beim Ladevorgang Energie der Windkraftanlage auf oder geben beim Entladevorgang Energie an den Wechselrichter 2 und das Stromnetz 3 ab.
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3 zeigt eine Windkraftanlage 1 mit eine Monopile-Gründung 42, in der eine elektroosmotische Wasserentsalzungsanlage integriert ist. Die benötigte Gleichspannung wird von der Windkraftanlage 1 selbst an zwei Elektroden 121 (Anode 1211, Kathode 1212) geliefert. Das Gründungsrohr 42 ist durch zwei elektrolytdurchlässige Membranen 122 in mehrere Zellen unterteilt. Das entstehende salzarme Wasser wird für die weitere Nutzung in einen Speicher 6 über Rohrleitungen und Pumpen 123 transportiert werden. Es ist denkbar, dass sich der Speicher 6 in einem weiteren Gründungsrohr der selben Windkraftanklage mit einer Tripile-Gründung oder in einem Gründungsrohr einer anderen Windkraftanlage befindet. Die Sole (salzreiches Wasser) wird aus der Entsalzungsanlage über ein Ventil 124 direkt ins Meerwasser 9 zurückgeleitet. Alternativ kann die Sole auch in einem Speicher aufgefangen und weiter verwendet werden. Das frische Meerwasser wird der Entsalzungsanlage über Zuleitungsrohre und -ventile zugeführt 125.
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Da es sich bei den vorhergehenden, detailliert beschriebenen Vorrichtungen um Ausführungsbeispiele handelt, können sie in üblicher Weise vom Fachmann in einem weiten Umfang modifiziert werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Insbesondere können auch die konkreten Ausgestaltungen der Ausführung in anderer Form als in der hier beschriebenen folgen. Ebenso kann die Vorrichtung in einer anderen Form ausgestaltet werden, wenn dies aus Platzgründen bzw. designerischen Gründen notwendig ist. Weiter schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Windkraftanlage
- 2
- Wechselrichter
- 3
- Stromnetz
- 4
- Gründung
- 41
- Tripile-Gründung
- 42
- Monopile-Gründung
- 5
- Elektrolysezelle/Brennstoffzelle
- 51
- Elektroden
- 511
- Anode
- 512
- Kathode
- 52
- Membran
- 53
- Elektrolyt
- 6
- Speicher
- 7
- Rohrleitungen
- 8
- Rückschlagventil
- 9
- Wasser
- 10
- Ventil
- 11
- Redox flow-Zelle
- 111
- Elektroden
- 1111
- Anode
- 1112
- Kathode
- 112
- Membran
- 113
- Elektrolyt
- 114
- Rohrleitungen mit Pumpen
- 12
- Entsalzung
- 121
- Elektroden
- 1211
- Anoden
- 1212
- Kathode
- 122
- Membranen
- 123
- Rohrleitung für salzarmes Wasser mit Pumpen
- 124
- Ableitung für Sole mit Ventilen
- 125
- Meerwasserzuleitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202012006146 U1 [0005]
- DE 202008013631 U1 [0006]
- US 2011/0042959 A1 [0007]
- US 2012/0187693 A1 [0008]
- US 2012/0294681 [0008]
- DE 202014100934 U1 [0009, 0009, 0012]
