WO2006097494A1 - Verfahren und vorrichtung zur zwischenspeicherung von aus windkraft erzeugter elektrischer windenergie - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur zwischenspeicherung von aus windkraft erzeugter elektrischer windenergie Download PDF

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WO2006097494A1
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Oldrich Zaviska
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • Y02E70/30—Systems combining energy storage with energy generation of non-fossil origin

Definitions

  • the invention relates to a method for intermediate storage of electrical energy.
  • the electrical energy is generated by at least one wind turbine.
  • the invention further relates to a device for temporary storage of electrical energy generated from wind power.
  • Wind energy is characterized by strong weather and therefore not demand-dependent generation.
  • the wind energy is characterized by the following problems: on the one hand a strong fluctuation of the wind power with high peaks and dents, on the other hand, there are several-day lulls.
  • Another problem is the large gradient for the increase and decrease of the wind power within a few hours. Heavy storms that occur can further lead to a complete shutdown of the wind power plants, as this can otherwise lead to damage to the power plants.
  • the strongly fluctuating, stochastic electricity generation from wind energy which has no correlation to the electricity demand, requires a considerable demand for control energy, in order to be able to guarantee the exact balance between power generation and consumption at all times.
  • a problem here is therefore the storage of surplus energy in heavy wind and low load periods as well as the provision of the required power in windy seasons or weak wind and heavy load of the electrical network.
  • CAES Compressed Air Energy Storage
  • ND low pressure
  • HD high pressure
  • the generator operates during engine operation and compressors convey the air into the compressed air reservoir.
  • the stored air is supplied to the gas turbine combustor at times of high demand.
  • the disadvantage of such systems lies in the required geological conditions, since due to the required large storage volume as a compressed air storage previously only cavities with suitable geological underground are suitable: salt caverns, aquifer structures or abandoned mines. The problem of the producer side therefore shifts to the memory side in order to absorb large peak power peaks and deliver in the event of power shortages.
  • the object of the invention is therefore to provide an improved method for the fullest possible recording of the wind energy generated at a guaranteed power delivery in, for example, multi-day lulls and a more efficient intermediate storage of the resulting excess energy.
  • a further object is the disclosure of an improved device, in particular for carrying out the method, for as complete as possible recording of the generated wind energy at a guaranteed power output and more efficient temporary storage of surplus energy.
  • the object related to the method is achieved according to the invention by a method for intermediate storage of wind power generated electric wind energy is generated by the wind power electric wind energy, wherein the electrical wind energy is fed into the electrical grid as needed and from the electrical wind energy, if necessary, hydrogen is generated, wherein the generated hydrogen is stored and wherein the stored hydrogen is used as needed for electrical power generation.
  • the invention is based on the knowledge that the
  • Invention direct supply of the generated electrical wind energy as needed, i. when needed to electrical grid power, provided.
  • the entire generated wind power production can be fed directly into the grid.
  • the generated wind energy can thus at any time when required to electrical network energy, for. stand ready at peak load and thus relieve other power plants. The energy generated thereby becomes efficient and free from
  • Conversion losses used If necessary, that is, if at a time more wind energy generated than at this time for feeding into the electrical network is provided (excess energy), is generated from the electrical wind energy hydrogen. In this case, the entire generated electrical wind energy can be used for hydrogen production as well as only part of the energy for hydrogen production. The hydrogen will be saved. This storage ensures wind power production even in times of high wind demand and low grid demand. In turn, high demand for electrical grid energy of the stored hydrogen is used to increase the electrical energy production, especially in conventional power plants. This can be the case, for example, if the wind energy production is too low, for example, a windstorm and at the same time a high network load. As a result, even in times of several days of wind and complete, abrupt failure by, for example, shut down an entire wind farm in a storm guaranteed a guaranteed power delivery.
  • the use of stored hydrogen in conventional power plants allows power to be provided in line with the network load.
  • caching Due to the possibility to feed the electrical wind energy directly into the grid as well as the possibility of converting the electrical wind energy into the hydrogen, on the one hand caching is avoided, on the other hand, however, ensures as far as possible full absorption of the wind energy generated, for example, with excess energy.
  • the storage ensures sufficient power reserve in the network in windy seasons or low wind power and heavy load.
  • the electrical wind energy is generated by one or more wind turbines (wind farms).
  • Wind turbines allow wind energy to be efficiently converted into electrical energy. These can be, for example, off-shore parks which are coupled together. The coupling of several systems allows a more efficient utilization of the buffers and the common transport of electrical energy.
  • the method is used to provide the control energy.
  • both positive and negative balancing power are possible due to the simultaneous grid connection and storage.
  • the hydrogen produced is completely or partially liquefied.
  • the liquefied hydrogen can still be produced directly at the plant and then forwarded.
  • the liquefied hydrogen of the off-shore facility can be transported by ship.
  • oxygen is generated from the electrical wind energy. This is by a chemical
  • Process obtained the electrolysis and can then be used to generate energy in conjunction with hydrogen.
  • the hydrogen is reacted in a combustion process.
  • a combustion process for example, hot gases are generated.
  • the stored hydrogen is added to a suitable mixture, and then burned.
  • oxygen is preferably reacted in the combustion process.
  • the combustion process is implemented in a conventional power plant.
  • the hot gases generated in the combustion process are used to generate power by, for example, driving a turbine.
  • the object related to the device is achieved by a device for temporary storage of wind power generated electrical wind energy with at least one wind turbine, wherein the wind turbine for the
  • Feed is provided in the electrical network, wherein the wind turbine connected to an electrolysis device is, and wherein the electrolysis device is connected to a storage device for hydrogen.
  • the device is particularly suitable for carrying out the method described above. The advantages of the method therefore also arise for the device.
  • between the wind turbine and the electrolysis device is a power converter. This is necessary for the later electrolysis.
  • the electrolysis device is designed to generate hydrogen.
  • the hydrogen thus generated is then stored and serves as a secondary energy source.
  • the electrolysis device is designed to generate oxygen.
  • the oxygen is stored and can be used in a subsequent combustion process for energy production.
  • a device for liquefying the hydrogen produced is provided. This is advantageous because the liquefied hydrogen can be transported, for example, by ship or pipeline.
  • the hydrogen storage device is connected to a conventional power plant.
  • the hydrogen and the oxygen can be used for power generation.
  • the conventional power plant is a gas, steam or gas and steam power plant.
  • the generated hydrogen is used for electricity generation.
  • At least one wind power plant is preferably an off-shore wind power plant.
  • Off-shore systems are particularly well suited to wind energy production due to the more favorable and stable wind conditions. Furthermore, here can be great Wind farms with several wind turbines (wind farms) are built.
  • the hydrogen can be fed directly to conventional power plants in network consumer centers.
  • a problematic loading of the hydrogen is avoided directly at the plants, for example, in heavy seas.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of a method for intermediate storage of wind power generated electrical wind energy
  • electrical energy is represented by means of an off-shore wind turbine 1.
  • the electrical energy is transported via a submarine cable 2 on land. There it is fed by means of a substation 3 directly into the electrical network 4.
  • the electric Wind energy fed by means of a power converter 5 in an electrolysis device 6.
  • hydrogen H 2 is generated. This is pumped by a pumping device 7 in a H 2 memory 8.
  • a gas 31 and / or steam-32, and / or gas and steam power plant 33 (FIG 4) used to generate energy. This is fed into the electrical network 4.
  • the electrical wind energy is largely completely absorbed.
  • the electrical wind energy is immediately available when required, eg peak load; on the other hand, a largely complete uptake of electrical wind power production is ensured.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of the method for intermediate storage of wind power generated by electrical wind energy in an off-shore wind turbine 1.
  • the electrical energy is also fed via a submarine cable 2 and a substation 3 in the electrical network 4.
  • the electrical wind energy is now fed directly to the plants 1 by means of a power converter 5 in an electrolysis device 6.
  • the hydrogen H 2 or a part of the hydrogen H 2 can be converted by a hydrogen (H 2 ) - liquefaction plant 20 into liquid hydrogen LH 2 . If the hydrogen H 2 is only partially liquefied, the remaining hydrogen H 2 is pumped by means of a pump device 7 and a pipeline 9 into an H 2 reservoir 8.
  • the liquid hydrogen LH 2 can for example be transported by ship 21 or a pipeline (not shown) to a Ausdampfvorraum 22 for H 2 evaporation, where it is converted back into hydrogen H 2 .
  • a Ausdampfvorraum 22 for H 2 evaporation for H 2 evaporation
  • this may be eliminated.
  • wind farms with a small number of wind turbines 1 is a hydrogen shipping advantage, since a submarine cable 2 can be omitted.
  • the hydrogen H 2 is required by means of a pipeline 9 in a conventional power plant 10 for
  • FIG. 3 likewise shows a further embodiment of the method for intermediate storage of wind power generated electrical wind energy in an off-shore wind turbine 1.
  • the electrical wind energy is transported on the one hand via a submarine cable 2 and fed by means of a substation 5 in the electrical network 4.
  • the electrical wind energy is fed via a power converter 5 in an electrolysis device 6.
  • This generates both oxygen O and hydrogen H 2 .
  • the oxygen O and the hydrogen H 2 are transported into hydrogen storage 8 and oxygen storage 8 a.
  • the hydrogen and oxygen pass through pipelines 9,9a in a conventional power plant 10.
  • the energy is fed directly into the electrical network 4. Since oxygen is also produced during electrolysis, it can be available for combustion in the combustion gas and thus contributes directly to the combustion process. This makes it possible to achieve a lower emissions combustion.
  • FIG. 4 shows an off-shore wind power plant 1 as the power generation unit. This is connected to a submarine cable 2 via a Substation 3 connected to the electrical network 4. Furthermore, the off-shore system 1 is connected via a power converter 5 with a at least one hydrogen generator or a water and oxygen generator, for example an electrolysis device 6 via a pipeline 9. The electrolyzer 6 is then connected to a storage 8 for hydrogen or multiple storage 8 for hydrogen and oxygen via a pipeline 9. The memories 8 are further connected to one or more power plants 10. These may be, for example, gas 30, steam 31 or gas and steam power plants 32, which in turn are connected to the electrical network 4.
  • the invention is based on the finding that, in the solutions specified in the prior art, the problem of the producer side (fluctuating wind energy production) shifts to the storage side (large storage volume). This will now be avoided by means of the invention by the possibility of feeding the generated energy is given in the electrical network. At the same time, the invention solves the problem of fluctuating wind energy production by the conversion as needed into the secondary energy carrier hydrogen, whereby the largely woolen recording of wind energy production is ensured. This is then used in electrical grid energy needs to increase the energy production in a conventional power plant, whereby a guaranteed power delivery is ensured.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zwischenspeicherung von aus Windkraft erzeugter elektrischer Windenergie mit mindestens einer Windkraftanlage (1) , wobei die Windkraftanlage (1) für die Einspeisung in das elektrische Netz (4) vorgesehen ist, wobei die Windkraftanlage (1) mit einer Elektrolysevorrichtung (6) über eine oder mehrere Pipelines (9) verbunden ist, und wobei die Elektrolysevorrichtung (6) mit einer Speichervorrichtung (8) für Wasserstoff (und möglicherweise Sauerstoff) über eine oder mehrere Pipelines (9) verbunden ist.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Zwischenspeicherung von aus Windkraft erzeugter elektrischer Windenergie
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zwischenspeicherung von elektrischer Energie. Dabei wird die elektrische Energie durch mindestens eine Windkraftanlage erzeugt. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Zwischenspeicherung von elektrischer Energie, die aus Windkraft erzeugt wird.
Die Windenergie ist gekennzeichnet durch stark wetter- und daher nicht bedarfsabhängige Erzeugung. Dabei ist die Windenergie durch folgende Probleme gekennzeichnet: zum einen starke Fluktuation der Windleistung mit hohen Spitzen und Dellen, zum anderen treten mehrtägige Flauten auf. Ein weiteres Problem stellen die großen Gradienten für die Zu- und die Abnahme der Windleistung innerhalb weniger Stunden dar. Auftretende starke Stürme können weiterhin zu einer kompletten Abschaltung der Windkraftanlagen führen, da diese ansonsten zu einer Beschädigung der Kraftwerke führen kann. Die stark fluktuierende, stochastische Stromerzeugung aus der Windenergie, die keine Korrelation zum Strombedarf aufweist, erfordert einen erheblichen Bedarf an Regelenergie, um jederzeit den exakten Ausgleich zwischen Stromerzeugung und - verbrauch gewährleisten zu können. Ein Problem ist hier daher die Speicherung von Überschuss-Energie bei starkem Windaufkommen und Schwachlastzeiten sowie die Bereitstellung der benötigten Leistung bei Windflauten bzw. schwachen Windaufkommen und Starklast des elektrischen Netzes.
Eine Möglichkeit der Speicherung sind Druckluft-Gasturbinen- Kraftwerke. Druckluft-Gasturbinen-Kraftwerke (CAES= Compressed Air Energy Storage) ermöglichen die Absorption von Überschuss-Energie in Zeiten starken Windaufkommens bei gleichzeitig geringer Netzlast und die zeitversetzte Erzeugung bei hoher Nachfrage. Diese bestehen aus ND (Niederdruck)- oder HD (Hochdruck) Kompressoren, einem Generator, einer Gasturbine und einem zumeist unterirdischen Druckluftspeicher. In Schwachlastzeiten arbeitet der Generator im Motorbetrieb und Kompressoren fördern die Luft in den Druckluftspeicher. Die gespeicherte Luft wird in Zeiten hoher Nachfrage der Gasturbinenbrennkammer zugeführt. Der Nachteil solcher Anlagen liegt in den erforderlichen geologischen Bedingungen, da aufgrund des benötigten großen Speichervolumen als Druckluft-Speicher bisher nur Hohlräume mit passendem geologischen Untergrund geeignet sind: Salzkavernen, Aquifer-Strukturen oder aufgelassene Bergwerke. Das Problem der Erzeugerseite verlagert sich daher auf die Speicherseite um große anfallende Leistungsspitzen aufzunehmen und bei Leistungsdefiziten abzugeben.
Eine weitere Möglichkeit stellen Pumpspeicher-Wasser-Kraft werke dar, bei dem Wasser mit Hilfe der Überschuss-Energie aus dem unteren in das obere Becken gepumpt und beim Leistungsdefizit wieder zur Stromerzeugung verwendet wird. Nachteilig an dieser Methode sind die erheblichen Kosten für die Erstellung von Stau- und Auffangbecken, und der immense Eingriff in die Natur. Auch hier verlagert sich das Problem von der Erzeugerseite auf die Speicherseite.
Die Speichernutzung, die bei diesen beiden Methoden realistisch ist, erstreckt sich jedoch nur über einen Bereich von mehreren Stunden. Längere Windflauten (mehrere Tage) sind dadurch jedoch kaum zu kompensieren.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Angabe eines verbesserten Verfahrens zur möglichst vollständigen Aufnahme der erzeugten Windenergie bei einer garantierten Strom-Abgabe bei beispielsweise mehrtägigen Flauten sowie einer effizienteren Zwischenspeicherung der anfallenden Überschuss-Energie. Eine weitere Aufgabe ist die Angabe einer verbesserten Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens, zur möglichst vollständigen Aufnahme der erzeugten Windenergie bei einer garantierten Strom-Abgabe und effizienteren Zwischenspeicherung der anfallenden Überschuss- Energie .
Die auf das Verfahren bezogene Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Zwischenspeicherung von aus Windkraft erzeugter elektrischer Windenergie bei dem durch Windkraft elektrische Windenergie erzeugt wird, wobei die elektrische Windenergie bedarfsweise in das elektrische Netz eingespeist wird und aus der elektrischen Windenergie bedarfsweise Wasserstoff erzeugt wird, wobei der erzeugte Wasserstoff gespeichert wird und wobei der gespeicherte Wasserstoff bedarfsweise zur elektrischen Energieerzeugung genutzt wird.
Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass das
Problem der Zwischenspeicherung der elektrischen Windenergie einer weitgehend vollständigen und vor allem effizienten sowie kostengünstigen Aufnahme der erzeugten Energie entgegentritt. Die Zwischenspeicherung muss daher nicht generell sondern nur bei Bedarf erfolgen. Daher ist bei der
Erfindung eine direkte Einspeisung der erzeugten elektrischen Windenergie bedarfsweise, d.h. bei Bedarf an elektrischer Netzenergie, vorgesehen. Bei beispielsweise hohem Bedarf an elektrischer Netzenergie oder beispielsweise geringer elektrischer Windkraftproduktion kann daher die gesamte erzeugte Windkraftproduktion direkt in das Netz eingespeist werden. Die erzeugte Windenergie kann so jederzeit bei Bedarf an elektrischer Netzenergie z.B. bei Spitzenlast sofort bereit stehen und somit andere Kraftwerke entlasten. Die erzeugte Energie wird dadurch effizient und frei von
Umwandlungsverlusten verwendet. Bedarfsweise, das heißt wenn zu einem Zeitpunkt mehr Windenergie erzeugt als zu diesem Zeitpunkt für die Einspeisung in das elektrische Netz vorgesehen ist (Überschuss-Energie) , wird aus der elektrischen Windenergie Wasserstoff erzeugt. Dabei kann die gesamte erzeugte elektrische Windenergie für die Wasserstoffproduktion als auch nur ein Teil der Energie für die Wasserstoffproduktion genutzt werden. Der Wasserstoff wird gespeichert. Durch diese Speicherung ist die Windkraftproduktion auch in Zeiten hohen Windaufkommens und geringer Netznachfrage gesichert. Bei wiederum hohem Bedarf an elektrischer Netzenergie wird der gespeicherte Wasserstoff zur Erhöhung der elektrischen Energieerzeugung insbesondere in konventionellen Kraftwerken genutzt. Dies kann beispielsweise bei zu geringer Windenergieproduktion z.B. einer Windflaute und zugleich hoher Netzlast der Fall sein. Dadurch ist auch in Zeiten mehrtägiger Windflaute sowie kompletter, abrupter Ausfall durch beispielsweise Abschalten eines ganzen Windparks bei Sturm eine garantierte Stromabgabe sichergestellt. Die Nutzung des gespeicherten Wasserstoffs in konventionellen Kraftwerken erlaubt eine der Netzlast gerechte Bereitstellung der Leistung.
Durch die Möglichkeit die elektrische Windenergie direkt in das Netz einzuspeisen als auch die Möglichkeit der Umwandlung der elektrischen Windenergie in den Wasserstoff wird daher einerseits eine Zwischenspeicherung vermieden, andererseits jedoch eine möglichst weitgehende vollständige Aufnahme der erzeugten Windenergie beispielsweise bei Überschuss-Energie gewährleistet. Zudem gewährleistet die Speicherung die ausreichende Leistungsreserve im Netz bei Windflauten bzw. geringen Windkraftaufkommen und Starklast.
Vorteilhafterweise wird die elektrische Windenergie durch eine oder mehrere Windkraftanlagen (Windparks) erzeugt. Durch Windkraftanlagen lässt sich Windenergie effizient in elektrische Energie umsetzten. Diese können beispielsweise Off-Shore Parks sein die untereinander gekoppelt sind. Die Kopplung mehrerer Anlagen erlaubt eine effizientere Ausnutzung der Zwischenspeicher sowie des gemeinsamen Transportes der elektrischen Energie.
Vorteilhafterweise wird das Verfahren zur Bereitstellung der Regelenergie verwendet. Bei diesem Verfahren ist durch die gleichzeitige Netzanbindung und Speicherung sowohl eine positive als auch eine negative Regelleistung möglich. Bevorzugt wird bei dem Verfahren der erzeugte Wasserstoff ganz oder teilweise verflüssig. Der verflüssigte Wasserstoff kann weiterhin direkt an der Anlage produziert und anschließend weitergeleitet werden. Der verflüssigte Wasserstoff der Off-Shore Anlage kann abschließend beispielsweise per Schiff weiter transportiert werden.
Vorteilhafterweise wird aus der elektrischen Windenergie Sauerstoff erzeugt. Diese wird durch ein chemisches
Verfahren, beispielsweise der Elektrolyse gewonnen und kann anschließend zur Energieerzeugung in Verbindung mit Wasserstoff verwendet werden.
Bevorzugt wird der Wasserstoff in einem Verbrennungsprozess umgesetzt. Bei einem solchen Verbrennungsprozess werden beispielsweise heiße Gase erzeugt. Dabei wird zu einem geeigneten Gemisch der gespeicherte Wasserstoff hinzugefügt, und anschließend verbrannt.
Bevorzugt wird zudem Sauerstoff in dem Verbrennungsprozess umgesetzt. Hierdurch wird eine wesentliche Reduzierung der entstehenden Emissionen, insbesondere NOx-Emissionen, erreicht .
Bevorzugt wird der Verbrennungsprozess in einem konventionellen Kraftwerk umgesetzt. Die bei dem Verbrennungsprozess entstehenden heißen Gase werden zur Stromerzeugung durch beispielsweise das Antreiben einer Turbine verwendet.
Die auf die Vorrichtung bezogene Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur Zwischenspeicherung von aus Windkraft erzeugter elektrischer Windenergie mit mindestens einer Windkraftanlage, wobei die Windkraftanlage für die
Einspeisung in das elektrische Netz vorgesehen ist, wobei die Windkraftanlage mit einer Elektrolysevorrichtung verbunden ist, und wobei die Elektrolysevorrichtung mit einer Speichervorrichtung für Wasserstoff verbunden ist. Die Vorrichtung ist insbesondere dafür geeignet dass oben beschriebene Verfahren durchzuführen. Die Vorteile des Verfahrens ergeben sich daher auch für die Vorrichtung.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist zwischen der Windkraftanlage und der Elektrolysevorrichtung ein Stromrichter. Dieser ist für die spätere Elektrolyse notwendig.
Bevorzugt ist die Elektrolysevorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff ausgelegt. Der so erzeugte Wasserstoff wird anschließend gespeichert und dient als Sekundärenergieträger.
Vorteilhafterweise ist die Elektrolysevorrichtung zur Erzeugung von Sauerstoff ausgelegt. Der Sauerstoff wird gespeichert und kann in einem anschließenden Verbrennungsprozess zur Energieerzeugung verwendet werden.
Bevorzugt ist eine Vorrichtung zum Verflüssigen des erzeugten Wasserstoffs vorgesehen. Dies ist vorteilhaft da der verflüssigte Wasserstoff beispielsweise per Schiff oder Rohleitung transportiert werden kann.
Vorteilhafterweise ist die WasserstoffSpeichervorrichtung mit einem konventionellen Kraftwerk verbunden. In dem konventionellen Kraftwerk kann der Wasserstoff und der Sauerstoff zur Energieerzeugung verwendet werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist das konventionelle Kraftwerk ein Gas, Dampf oder Gas und Dampfkraftwerk. Hier wird der erzeugte Wasserstoff zur Verstromung verwendet.
Bevorzugt ist mindestens eine Windekraftanlage eine Off-Shore Windkraftanlage. Off-Shore Anlagen eignen sich besonders gut zur Windenergieerzeugung aufgrund der günstigeren und stabileren Windverhältnisse. Weiterhin können hier große Windparks mit mehreren Windkraftanlagen (Windparks) gebaut werden.
Bevorzugt erfolgt die Wasserstofferzeugung und Speicherung am Land. Mittels Rohleitungen kann der Wasserstoff direkt den konventionellen Kraftwerken in Netzverbraucherzentren zugeführt werden. Dadurch wird eine problematische Verladung des Wasserstoffs direkt an den Anlagen beispielsweise bei starkem Seegang vermieden.
Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Darin zeigt in vereinfachter und nicht maßstäblicher Dar- Stellung:
FIG 1 ein Verfahren zur Zwischenspeicherung von aus Windkraft erzeugter elektrischer Windenergie,
FIG 2 in weiterer Ausgestaltung ein Verfahren zur
Zwischenspeicherung von aus Windkraft erzeugter elektrischer Windenergie,
FIG 3 in weiterer Ausgestaltung ein Verfahren zur Zwischenspeicherung von aus Windkraft erzeugter elektrischer Windenergie, und
FIG 4 eine Vorrichtung zur Zwischenspeicherung von aus
Windkraft erzeugter elektrischer Windenergie.
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszei¬ chen versehen.
In FIG 1 wird elektrische Energie mittels einer Off-Shore Windkraftanlage 1 dargestellt. Die elektrische Energie wird über ein Seekabel 2 an Land transportiert. Dort wird sie mittels eines Umspannwerks 3 direkt in das elektrische Netz 4 eingespeist. Bei Überschuss-Energie wird die elektrische Windenergie mittels eines Stromrichters 5 in eine Elektrolysevorrichtung 6 eingespeist. Mit Hilfe dieser Elektrolysevorrichtung 6 wird Wasserstoff H2 erzeugt. Dieser wird durch eine Pumpvorrichtung 7 in einen H2-Speicher 8 gepumpt. Anschließend wird bedarfsweise beispielsweise bei mehrtätigen Flauten der Wasserstoff mittels einer Pipeline 9 in einem konventionellen Kraftwerk 10, beispielsweise einem Gas- 31 oder/und Dampf-32, oder/und Gas- und Dampfkraftwerk 33 (FIG 4) zur Energieerzeugung verwendet. Diese wird in das elektrische Netz 4 eingespeist. Somit wird die elektrische Windenergie weitgehend vollständig aufgenommen. Durch die Möglichkeit der direkten Netzeinspeisung und der Möglichkeit die Windenergie in den Sekundärenergieträger Wasserstoff umzuwandeln steht einerseits die elektrische Windenergie sofort bei Bedarf z.B. Spitzenlast zur Verfügung, andererseits ist eine weitgehend vollständige Aufnahme der elektrischen Windkraftproduktion sichergestellt.
FIG 2 zeigt eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens zur Zwischenspeicherung von aus Windkraft erzeugter elektrischer Windenergie bei einer Off-Shore Windkraftanlage 1. Dabei wird die elektrische Energie ebenfalls über ein Seekabel 2 und ein Umspannwerk 3 in das elektrische Netz 4 eingespeist. Bei Überschuss-Energie wird die elektrische Windenergie nun direkt an den Anlagen 1 mittels eines Stromrichters 5 in eine Elektrolysevorrichtung 6 eingespeist. Diese erzeugt nun Wasserstoff H2. Anschließend kann der Wasserstoff H2 oder ein Teil des Wasserstoffs H2 durch eine Wasserstoff (H2)- Verflüssigungsanlage 20 in flüssigen Wasserstoff LH2 umgewandelt werden. Wird der Wasserstoff H2 nur teilweise verflüssigt so wird der übrige Wasserstoff H2 mittels einer Pumpvorrichtung 7 und einer Pipeline 9 in einen H2-Speicher 8 gepumpt. Der flüssige Wasserstoff LH2 kann beispielsweise per Schiff 21 oder einer Rohrleitung (nicht gezeigt) zu einer Ausdampfvorrichtung 22 zur H2 Ausdampfung transportiert werden, wo er wieder in Wasserstoff H2 umgewandelt wird. Bei einer vollständigen Umwandlung in flüssigen Wasserstoff kann dies jedoch entfallen. Besonders bei kleinen Windkraftparks, das heißt Windparks mit einer geringen Anzahl von Windkraftanlagen 1 ist eine Wasserstoffverschiffung von Vorteil, da auf ein Seekabel 2 verzichten werden kann. Anschließend wird der Wasserstoff H2 bedarfsweise mittels einer Pipeline 9 in einem konventionellen Kraftwerk 10 zur
Energieerzeugung verwendet, welche anschließend direkt in das elektrische Netz 4 eingespeist wird. Durch die Möglichkeit die elektrische Windenergie direkt bei den Off-Shore Anlagen 1 in flüssigem Wasserstoff umzuwandeln und anschließend per Schiff 21 zu verschiffen ist die Aufnahme der elektrischen Windenergie beispielsweise bei Beschädigung des Seekabels 2 sichergestellt .
FIG 3 zeigt ebenfalls eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens zur Zwischenspeicherung von aus Windkraft erzeugter elektrischer Windenergie bei einer Off-Shore Windkraftanlage 1. Die elektrische Windenergie wird einerseits über ein Seekabel 2 transportiert und mittels eines Umspannwerks 5 in das elektrische Netz 4 eingespeist. Bei Überschuss-Energie wird die elektrische Windenergie über einen Stromrichter 5 in einer Elektrolysevorrichtung 6 eingespeist. Diese erzeugt sowohl Sauerstoff O als auch Wasserstoff H2. Über Pumpvorrichtungen 7,7a werden der Sauerstoff O und der Wasserstoff H2 in WasserstoffSpeicher 8 und SauerstoffSpeicher 8a transportiert. Anschließend gelangen der Wasserstoff und der Sauerstoff über Pipelines 9,9a in ein konventionelles Kraftwerk 10. Dort wird je nach benötigtem Wasserstoff bzw. Sauerstoff Anteil der Wasserstoff bzw. Sauerstoff zur Energieerzeugung beispielsweise durch Verbrennung genutzt. Die Energie wird direkt in das elektrische Netz 4 eingespeist. Da bei der Elektrolyse ebenfalls Sauerstoff erzeugt wird, kann dieses der Verbrennung ans Verbrennungsgas zur Verfügung stehen und trägt somit direkt zum Verbrennungsprozess bei. Dadurch lässt sich eine emissionsärmere Verbrennung erzielen.
FIG 4 zeigt als Stromerzeugungseinheit eine Off-Shore Windkraftanlage 1. Diese ist mit einem Seekabel 2 über ein Umspannwerk 3 an das elektrische Netz 4 angebunden. Weiterhin ist die Off-Shore Anlage 1 über einen Stromrichter 5 mit einem zumindest einem Wasserstofferzeuger oder einem Wasser- und Sauerstofferzeuger, beispielsweise einer Elektrolysevorrichtung 6 über eine Pipeline 9 verbunden. Die Elektrolysevorrichtung 6 ist anschließend mit einem Speicher 8 für Wasserstoff oder mehreren Speichern 8 für Wasserstoff und Sauerstoff über eine Pipeline 9 verbunden. Die Speicher 8 sind weiterhin mit einem oder mehreren Kraftwerken 10 verbunden. Dies können beispielsweise Gas- 30, Dampf- 31 oder Gas- und Dampfkraftwerke 32 sein, welche wiederum an das elektrischen Netz 4 angeschlossen sind.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich bei dem im Stand der Technik angegeben Lösungen das Problem der Erzeugerseite (fluktuierende Windenergieerzeugung) auf die Speicherseite (großes Speichervolumen) verlagert. Dies wird nun mit Hilfe der Erfindung vermieden, indem die Möglichkeit der Einspeisung der erzeugten Energie in das elektrische Netz gegeben ist. Gleichzeitig löst die Erfindung auch das Problem der fluktuierenden Windenergieerzeugung durch die bedarfsweise Umwandlung in den Sekundärenergieträger Wasserstoff, wodurch die weitgehend wollständige Aufnahme der Windenergieproduktion sichergestellt ist. Dieser wird anschließend bei elektrischem Netzenergiebedarf zur Erhöhung der Energieproduktion in einem konventionellen Kraftwerk verwendet, wodurch eine garantierte Stromabgabe gewährleistet ist.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Zwischenspeicherung von aus Windkraft erzeugter elektrischer Windenergie d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
- durch Windkraft elektrische Windenergie erzeugt wird,
- die elektrische Windenergie bedarfsweise in das elektrische Netz (4) eingespeist wird,
- aus der elektrischen Windenergie bedarfsweise Wasserstoff erzeugt wird, wobei
- der erzeugte Wasserstoff gespeichert wird und wobei
- der gespeicherte Wasserstoff bedarfsweise zur elektrischen Energieerzeugung genutzt wird.
2. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die elektrische Windenergie durch eine oder mehrere Windkraftanlagen (1) erzeugt wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Zwischenspeicherung der elektrischen Energie zur Bereitstellung der Regelenergie verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der erzeugte Wasserstoff ganz oder teilweise verflüssig wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass aus der elektrischen Windenergie Sauerstoff erzeugt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass Wasserstoff in einem Verbrennungsprozess umgesetzt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass zudem Sauerstoff in dem Verbrennungsprozess umgesetzt wird.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsprozess in einem konventionellen Kraftwerk (10) umgesetzt wird.
9. Vorrichtung zur Zwischenspeicherung von aus Windkraft erzeugter elektrischer Windenergie mit mindestens einer Windkraftanlage (1), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Windkraftanlage (1) für die Einspeisung in das elektrische Netz (4) ausgelegt ist, wobei die Windkraftanlage (1) mit einer Elektrolysevorrichtung (6) über eine oder mehrere Pipelines (9) verbunden ist, und wobei die Elektrolysevorrichtung (6) mit einer Speichervorrichtung (8) für Wasserstoff über eine oder mehrere Pipelines (9) verbunden ist.
10. Vorrichtung nach den Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, das zwischen der Windkraftanlage (1) und der Elektrolysevorrichtung (6) ein Stromrichter (5) ist.
11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 bis 10 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Elektrolysevorrichtung (6) zur Erzeugung von Wasserstoff ausgelegt ist.
12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Elektrolysevorrichtung (6) zur Erzeugung von Sauerstoff ausgelegt ist.
13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass eine
Vorrichtung (20) zum Verflüssigen des erzeugten Wasserstoffs vorgesehen ist.
14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 bis 13 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Wasserstoff Speichervorrichtung (8) mit einem konventionellen Kraftwerk (10) verbunden ist.
15. Vorrichtung nach den Ansprüchen 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das konventionelle Kraftwerk (10) ein Gas- (31), oder/und Dampf-
(31) oder/und Gas- und Dampfkraftwerk (32) ist.
16. Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 bis 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die mindestens eine Windekraftanlage (1) eine Off-Shore Windkraftanlage ist.
17. Vorrichtung nach den Anspruch 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Stromübertragung bei der Off-Shore Windkraftanlage (1) über ein Seekabel (2) erfolgt.
18. Vorrichtung nach den Anspruch 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Wasserstofferzeugung und Speicherung an Land erfolgt.
19. Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 bis 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Einspeisung der elektrischen Windenergie in das elektrische Netz (4) über ein Umspannwerk (5) erfolgt.
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