WO2024079316A1 - System for generating renewable electrical energy and supplying a plurality of consumers - Google Patents

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WO2024079316A1
WO2024079316A1 PCT/EP2023/078484 EP2023078484W WO2024079316A1 WO 2024079316 A1 WO2024079316 A1 WO 2024079316A1 EP 2023078484 W EP2023078484 W EP 2023078484W WO 2024079316 A1 WO2024079316 A1 WO 2024079316A1
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Thomas Emde
Johannes Schmid
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Abstract

The present invention relates to a system for generating renewable electrical energy and supplying a plurality of consumers, comprising a plurality of wind turbines (10, 11) and optionally photovoltaic systems (20, 21) as generators of renewable electrical energy, a plurality of electric-motor-driven vehicles as consumers of electrical energy, a route travelled by these vehicles and a plurality of charging stations (33, 56) arranged at a distance from one another along the route, at which charging stations the vehicles can receive electrical energy, wherein a plurality of wind turbines (10, 11) are installed along the route, wherein the electrical energy generated by these wind turbines (10, 11) is fed into a power line network to which the charging stations (33, 56) are connected, and wherein the system according to the invention further comprises at least one transformer station (18) or at least one transformer (31) and the system is set up to convert the direct current generated by at least one photovoltaic system (20, 21) and/or the direct current or alternating current generated by at least one wind turbine into a three-phase alternating current in the medium-voltage range and to distribute it in the self-sufficient power line network over a longer distance from beyond the at least one transformer (31) or the at least one transformer station (18) to a charging station (33, 56) as current in the medium-voltage range. In this way, the invention creates an energy-optimised self-sufficient system and line network for supplying consumers in the area of, for example, a motorway, with the required electrical energy being generated renewably in the area of the motorway itself.

Description

System zur Erzeugung regenerativer elektrischer Energie und Versorgung einer Mehrzahl von Verbrauchern System for generating renewable electrical energy and supplying a majority of consumers
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Erzeugung regenerativer elektrischer Energie und Versorgung einer Mehrzahl von Verbrauchern umfassend: eine Mehrzahl von Windkraftanlagen und/oder Photovoltaikanlagen als Erzeuger regenerativer elektrischer Energie, wobei das System eingerichtet ist eine Mehrzahl elektromotorisch oder mit Wasserstoff angetriebener Fahrzeuge als Verbraucher mit elektrischer Energie und/oder Wasserstoff zu versorgen; eine Mehrzahl von Ladestationen, die entlang einer von den Fahrzeugen befahrbaren Fahrstrecke jeweils im Abstand zueinander angeordnet sind, wobei die Ladestationen geeignet sind, die Fahrzeuge mit elektrischer Energie und/oder mit Wasserstoff zu versorgen, wobei das System weiterhin ein autarkes Stromleitungsnetz umfasst, welches mit den Ladestationen elektrisch verbunden ist, und welches, ggf. ausschließlich, mit der von den Windkraftanlagen und/oder Photovoltaikanlagen erzeugten regenerativen elektrischen Energie gespeist wird. The present invention relates to a system for generating renewable electrical energy and supplying a plurality of consumers, comprising: a plurality of wind turbines and/or photovoltaic systems as generators of renewable electrical energy, wherein the system is set up to supply a plurality of electric motor or hydrogen-powered vehicles as consumers with electrical energy and/or hydrogen; a plurality of charging stations which are arranged at a distance from one another along a route that the vehicles can travel, wherein the charging stations are suitable for supplying the vehicles with electrical energy and/or hydrogen, wherein the system further comprises a self-sufficient power line network which is electrically connected to the charging stations and which is fed, if necessary exclusively, with the renewable electrical energy generated by the wind turbines and/or photovoltaic systems.
Stand der Technik State of the art
Es ist aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt, regenerative elektrische Energie über Windkraftanlagen zu gewinnen und zum Aufladen der Akkumulatoren von Fahrzeugen mit Elektroantrieb zu nutzen. Beispielsweise in der EP 3 659 854 A1 wird ein Verfahren zur Nutzung einer Ladeeinheit sowie ein Transportsystem für Ladeeinheiten vorgeschlagen, bei dem Ladesäulen, die mit regenerativer Energie aus Windkraft aufgeladen werden, mittels LKWs, die mehrere Ladesäulen aufnehmen, zu einem Bereich transportiert werden, wie zum Beispiel einem öffentlichen Parkplatz oder dergleichen, wo sie dann von Fahrern von PKWs dazu genutzt werden können, um die Batterien der PKWs aufzuladen. Dieses System ist vergleichsweise umständlich, zum einen, da es spezifisch ausgebildete Lastkraftfahrzeuge benötigt, die die Ladeeinheiten am Ort der Erzeugung von Energie aus Windkraft, also am Standort einer Windkraftanlage aufnehmen und über Straßen an einen Ort transportieren, an dem die Ladeeinheiten aufgestellt und für PKWs zur Verfügung gestellt werden. Das Aufladen der Ladeeinheiten muss per Kran erfolgen. Die LKWs transportieren die Ladeeinheiten über den Straßenweg zu den Orten, an denen sich Ladestationen befinden, was mit Zeitaufwand verbunden ist, Energie für den Antrieb der LKWs verbraucht und zudem wegen des CO2-Ausstoßes der LKWs die Umwelt belastet. Zudem werden hier für die Erzeugung der regenerativen elektrischen Energie große herkömmliche Windkraftanlagen verwendet, die nur an bestimmten Standorten zur Verfügung stehen, so dass die Entfernungen zu den Ladestationen, an denen die Energie für das Laden von PKWs benötigt wird, groß sein können. Große Windkraftanlagen dieser Art benötigen einen aufwändigen Genehmigungsprozess, so dass es auch nicht möglich ist, kurzfristig weitere derartige Windkraftanlagen an einem Standort in Nähe eines Verkehrsweges wie insbesondere einer Autobahn, die von vielen Fahrzeugen mit elektrischem Antrieb befahren wird, aufzustellen. It is generally known from the prior art to generate renewable electrical energy via wind turbines and to use it to charge the batteries of electric vehicles. For example, EP 3 659 854 A1 proposes a method for using a charging unit and a transport system for charging units, in which charging stations that are charged with renewable energy from wind power are transported by trucks that accommodate several charging stations to an area, such as a public parking lot or the like, where they can then be used by car drivers to charge the batteries of the cars. This system is comparatively cumbersome, on the one hand because it requires specifically designed trucks that pick up the charging units at the location where energy is generated from wind power, i.e. at the location of a wind turbine, and transport them by road to a location where the charging units are set up and made available for cars. The charging units must be charged using a crane. The trucks transport the Charging units are transported by road to the locations where charging stations are located, which takes time, uses energy to drive the trucks and also pollutes the environment due to the trucks' CO2 emissions. In addition, large conventional wind turbines are used to generate renewable electrical energy, which are only available at certain locations, so that the distances to the charging stations where the energy is needed to charge cars can be great. Large wind turbines of this type require a complex approval process, so it is not possible to set up further wind turbines of this kind at a location near a traffic route, such as a motorway in particular, which is used by many electric vehicles.
Es ist ebenfalls bekannt, über Photovoltaik erzeugte regenerative Energie dazu zu verwenden, die Akkumulatoren von Elektrofahrzeugen aufzuladen. Die DE 20 2011 100 046 U1 beschreibt beispielsweise ein System, bei dem Dachflächen oder Seitenflächen von Lastkraftwagen oder Schienenfahrzeugen mit Photovoltaikanlagen ausgestattet sind, so dass auf diesen Fahrzeugen Strahlungsenergie der Sonne in elektrische Energie umgewandelt wird. Die so gewonnene regenerative Energie wird in Akkumulatoren gesammelt, die dann zu Energiesammelstellen transportiert werden. An diesen Energiesammelstellen können die aufgeladenen Energiespeicher an Fahrzeuge abgegeben und dabei gegen leere Fahrzeugbatterien getauscht werden. It is also known to use renewable energy generated by photovoltaics to charge the batteries of electric vehicles. DE 20 2011 100 046 U1, for example, describes a system in which roofs or sides of trucks or rail vehicles are equipped with photovoltaic systems so that the sun's radiant energy is converted into electrical energy on these vehicles. The renewable energy obtained in this way is collected in batteries, which are then transported to energy collection points. At these energy collection points, the charged energy storage units can be given to vehicles and exchanged for empty vehicle batteries.
Abgesehen von den vorgenannten Systemen wird herkömmlicherweise die Windkraft auf großen Anlagen erzeugt, deren Nennleistungen bei etwa 2 MW bis 5 MW liegen oder darüber, wenn es sich um große Offshore-Anlagen handelt. Tendenziell werden heute immer größere Windkraftanlagen gebaut, um eine höhere Leistung zu erzielen. Diese großen Anlagen haben verschiedene Nachteile. Beispielsweise liegt der Durchmesser der Rotorflügel bei einer 2 MW-Anlage bereits bei über 100 m, so dass die gesamte Bauhöhe einschließlich der Rotoren bei weit über 100 m liegt. Das Gewicht einer großen Windkraftanlage kann bei mehr als 1000 t liegen, so dass bei deren Errichtung große Fundamente vorgesehen werden müssen. Ein weiteres Problem liegt in der hohen Geräuschentwicklung, weshalb derzeit ein Mindestabstand von 1 ,5 km zur nächsten Wohnbebauung vorgeschrieben ist. Des Weiteren müssen diese Anlagen ein aufwändiges Genehmigungsverfahren durchlaufen und da die Akzeptanz der Anlagen in der Bevölkerung schwindet, nimmt es oft mehrere Jahre in Anspruch, um die Genehmigung für eine neue Anlage zu erhalten und diese zu errichten. Weiterhin ist es gewöhnlich so, dass der über Windkraftanlagen erzeugte Strom in das allgemeine Stromnetz eingespeist wird. Die Windkraftanlagen stehen häufig in dünner besiedelten ländlichen Regionen und der Strom muss über Hochspannungsleitungen dann oft über größere Entfernungen zu den Orten transportiert werden, die einen hohen Energiebedarf haben, wie größere Städte, Industrieanlagen und dergleichen. Zum einen kommt es im Stromnetz bei Transport über größere Entfernungen zu Leitungsverlusten. Ein weiteres Problem liegt darin, dass der von Windkraftanlagen erzeugte Strom diskontinuierlich anfällt, so dass bei stärkerem Wind eine vergleichsweise hohe Leistung aus Windkraft anfällt, die jedoch häufig nicht mit dem entsprechenden Energiebedarf einhergeht, während umgekehrt bei Windstille nicht genügend Energie aus Windkraft zur Verfügung steht. Dies erfordert es entweder, den bei starkem Wind anfallenden überschüssigen Strom in geeigneter Form zu speichern oder Energie geht bei hohem Windaufkommen verloren, da sie nicht in das öffentliche Netz eingespeist werden kann. Apart from the systems mentioned above, wind power is traditionally generated in large turbines with nominal outputs of around 2 MW to 5 MW, or more in the case of large offshore turbines. The trend today is to build ever larger wind turbines in order to achieve higher output. These large turbines have various disadvantages. For example, the diameter of the rotor blades in a 2 MW turbine is already over 100 m, so that the total height including the rotors is well over 100 m. The weight of a large wind turbine can be more than 1000 t, so that large foundations must be provided for when erecting it. Another problem is the high level of noise, which is why a minimum distance of 1.5 km from the nearest residential area is currently required. Furthermore, these turbines have to go through a complex approval process and since acceptance of the turbines among the population is dwindling, it often takes several years to obtain approval for a new turbine and to build it. Furthermore, it is usually the case that the electricity generated by wind turbines is fed into the general power grid. Wind turbines are often located in sparsely populated rural areas and the electricity then often has to be transported over long distances via high-voltage lines to places that have a high energy demand, such as larger cities, industrial plants and the like. On the one hand, transmission losses occur in the power grid when transported over long distances. Another problem is that the electricity generated by wind turbines is discontinuous, so that when the wind is strong, a comparatively high output from wind power is generated, but this is often not accompanied by the corresponding energy demand, while conversely, when there is no wind, there is not enough energy from wind power available. This requires either the excess electricity generated in strong winds to be stored in a suitable form, or energy is lost when the wind is strong because it cannot be fed into the public grid.
Die vorliegende Erfindung geht von folgenden Überlegungen aus. Um den CO2-Ausstoß im Verkehrssektor zu reduzieren, ist es vorgesehen, den Individualverkehr in den nächsten zwölf Jahren auf elektrisch angetriebene Fahrzeuge umzustellen. Ab 2035 sollen in der EU keine neuen Fahrzeuge mehr zugelassen werden, die mit Diesel oder Benzin angetriebenen herkömmlichen Verbrennungsmotoren fahren. Dies bedeutet, dass der Bedarf an elektrischer Energie entlang der Autobahnen und Fernstraßen im Vergleich zu heute erheblich zunehmen wird. Zwar ist es geplant, den Anteil regenerativer Energien bei der Versorgung mit elektrischer Energie sukzessive zu erhöhen. Da aber die Genehmigung großer Windkraftanlagen in der Nähe von Wohnsiedlungen auf erheblichen Widerstand in der Bevölkerung stößt, ist es fraglich ob der Bedarf über Windkraftanlagen in ausreichendem Maße und in dem vorgesehenen Zeiiraum gedeckt werden kann. Wenn größere Windkraftparks im off-shore-Bereich entstehen, müssen teils erhebliche Entfernungen überbrückt werden, um den Strom zu den großen Fahrstrecken beispielsweise in Süddeutschland zu transportieren. Weiterhin ist es wenig sinnvoll, für die Errichtung von Windkraftanlagen dünn besiedelte Gebiete auszuwählen, in denen eine intakte Natur vorhanden ist, die durch die Windkraftanlagen beeinträchtigt wird (Rodung von Wäldern, Störung der Vogelwelt, Lärmbelästigung etc.). Andererseits liegt im Bereich der großen Verkehrswege wie Autobahnen und Fernstraßen ohnehin bereits ein Gebiet vor, in dem die Lärmbelästigung hoch ist und durch Vernichtung von Grünflächen in die Natur eingegriffen wurde. Flächen, die an eine Autobahn angrenzen, sind für menschliche Wohnsiedlungen kaum nutzbar und auch für Wildtiere wegen des Lärms und der Gefahren durch die Fahrzeuge kein geeigneter Lebensraum. Die Grundidee der vorliegenden Erfindung ist es daher, diese an Fahrwege angrenzenden Flächen für die Erzeugung derjenigen elektrischen Energie aus regenerativen Quellen zu nutzen, die im Bereich der Fahrwege von den Fahrzeugen benötigt wird. The present invention is based on the following considerations. In order to reduce CO2 emissions in the transport sector, it is planned to convert private transport to electrically powered vehicles over the next twelve years. From 2035, no new vehicles will be registered in the EU that run on conventional diesel or petrol-powered combustion engines. This means that the demand for electrical energy along motorways and main roads will increase considerably compared to today. It is planned to gradually increase the proportion of renewable energies in the supply of electrical energy. However, since the approval of large wind turbines near residential areas is met with considerable resistance from the population, it is questionable whether the demand can be met by wind turbines to a sufficient extent and within the planned time period. If larger wind farms are built offshore, considerable distances must be bridged in some cases in order to transport the electricity to the long routes, for example in southern Germany. Furthermore, it makes little sense to select sparsely populated areas for the construction of wind turbines, where there is an intact natural environment that is affected by the wind turbines (deforestation, disturbance of bird life, noise pollution, etc.). On the other hand, in the area of major traffic routes such as motorways and highways there is already an area in which noise pollution is high and nature has been interfered with by the destruction of green spaces. Areas adjacent to a motorway are hardly usable for human settlements and are also not a suitable habitat for wild animals due to the noise and dangers posed by vehicles. The basic idea of the present invention is therefore to use these areas adjacent to roads for the generation of the electrical To use energy from renewable sources that is required by vehicles on the routes.
Aus den Druckschriften US2018/0254736 A1 und US2021/0126574 A1 sind Systeme der eingangs genannten Art bekannt geworden, bei denen Photovoltaikanlagen und Windkraftanlagen entlang einer Fahrstrecke installiert sind, um Strom aus regenerativen Quellen zu erzeugen und Batterien elektromotorisch angetriebener Fahrzeuge, die die Fahrstrecke entlangfahren, zu laden. Die Photovoltaikanlagen werden an Lärmschutzwänden, Barrieren oder Leitplanken installiert, die sich an der Fahrstrecke befinden. In den genannten Schriften fehlen jedoch konkrete Angaben darüber, wie man das Leitungsnetz für den regenerativ erzeugten Strom so einrichtet, dass dieser möglichst verlustfrei und mit vertretbarem technischen Aufwand entlang der Fahrstrecke von den Erzeugern zu den Ladestationen geleitet wird, an denen der Strom verbraucht wird. From the publications US2018/0254736 A1 and US2021/0126574 A1, systems of the type mentioned above have become known in which photovoltaic systems and wind turbines are installed along a route to generate electricity from renewable sources and to charge batteries of electric motor-powered vehicles that travel along the route. The photovoltaic systems are installed on noise barriers, barriers or guard rails that are located along the route. However, the documents mentioned lack concrete information on how to set up the power grid for the renewably generated electricity in such a way that it is routed along the route from the generators to the charging stations where the electricity is consumed with as little loss as possible and with reasonable technical effort.
Ausgehend von dem zuvor genannten Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein System zur Erzeugung und Nutzung regenerativer Energie mit den eingangs genannten Merkmalen zur Verfügung zu stellen, welches im Hinblick auf die Stromleitung von den Erzeugern zu den elektrischen Verbrauchern energietechnisch und leitungstechnisch optimiert ist. Based on the aforementioned prior art, the object of the present invention is to provide a system for generating and using renewable energy with the features mentioned at the beginning, which is optimized in terms of energy technology and line technology with regard to the power line from the generators to the electrical consumers.
Lösungsansatz der vorliegenden Erfindung Approach of the present invention
Die Lösung der vorgenannten Aufgabe liefert ein System zur Erzeugung und Nutzung regenerativer elektrischer Energie eingangs genannter Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1. The solution to the above-mentioned problem provides a system for generating and using renewable electrical energy of the type mentioned above with the features of claim 1.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das System weiterhin mindestens eine Transformatorstation oder mindestens einen Transformator umfasst, wobei das System eingerichtet ist, den von mindestens einer Photovoltaikanlage erzeugten Gleichstrom und/oder den von mindestens einer Windkraftanlage erzeugten Gleichstrom oder Wechselstrom in einen Dreiphasenwechselstrom im Mittelspannungsbereich umzuwandeln und in dem autarken Stromleitungsnetz über eine längere Entfernung von jenseits des mindestens einen Transformators oder der mindestens einen Transformatorstation bis zu einer Ladestation als Strom im Mittelspannungsbereich zu leiten. According to the invention, the system further comprises at least one transformer station or at least one transformer, wherein the system is designed to convert the direct current generated by at least one photovoltaic system and/or the direct current or alternating current generated by at least one wind turbine into a three-phase alternating current in the medium voltage range and to conduct it in the self-sufficient power line network over a longer distance from beyond the at least one transformer or the at least one transformer station to a charging station as current in the medium voltage range.
Wenn es in der obigen Formulierung heißt, „dass das System eingerichtet ist, den von einer Photovoltaikanlage erzeugten Gleichstrom oder den von einer Windkraftanlage erzeugten Gleichstrom oder Wechselstrom in einen Dreiphasenwechselstrom im Mittelspannungsbereich umzuwandeln“, dann bedeutet dies, dass entweder die genannte Transformatorstation oder der Transformator hierzu geeignet ist oder dass das System außer einer Transformatorstation oder eines Transformators gegebenenfalls weitere Einrichtungen zur Strombehandlung umfasst. Diese Einrichtungen können beispielsweise mindestens einen Frequenzumrichter umfassen, um beispielsweise von einer Windkraftanlage erzeugten Wechselstrom in einen Wechselstrom mit einer anderen Frequenz, beispielsweise mit einer gängigen Netzfrequenz von 50 Hz umzuwandeln. Ein solcher Wechselstrom mit Netzspannung kann anschließend über mindestens einen Gleichrichter in der Transformatorstation oder beispielsweise auch im Leitungsweg vor dieser in Gleichstrom umgewandelt und danach auf die gewünschte Spannung im Mittelspannungsbereich hochtransformiert werden. Photovoltaikanlagen liefern bereits Gleichstrom, so dass dieser Strom im System lediglich hochtransformiert werden muss auf die gewünschte Spannung im Mittelspannungsbereich, die für die Stromleitung im autarken Stromleitungsnetz des Systems vorgesehen ist. If the above wording states that “the system is designed to convert the direct current generated by a photovoltaic system or the direct current or alternating current generated by a wind turbine into a three-phase alternating current in the medium-voltage range”, this means that either the transformer station or the transformer mentioned is suitable for this purpose or that the system may comprise other devices for treating electricity in addition to a transformer station or a transformer. These devices may, for example, comprise at least one frequency converter in order to convert alternating current generated by a wind turbine, for example, into alternating current with a different frequency, for example with a common mains frequency of 50 Hz. Such alternating current with mains voltage can then be converted into direct current via at least one rectifier in the transformer station or, for example, in the line path upstream of it, and then transformed up to the desired voltage in the medium-voltage range. Photovoltaic systems already supply direct current, so that this current in the system only needs to be transformed up to the desired voltage in the medium-voltage range that is intended for the power line in the system’s self-sufficient power line network.
Die obige Formulierung „in dem autarken Stromleitungsnetz über eine längere Entfernung von jenseits des mindestens einen Transformators oder der mindestens einen Transformatorstation bis zu einer Ladestation als Strom im Mittelspannungsbereich“ zu leiten, bedeutet, dass die Umwandlung in den gewünschten Gleichstrom entweder in der Transformatorstation oder dem Transformator oder gegebenenfalls teilweise bereits vorher erfolgt, spätestens aber in der Transformatorstation oder dem Transformator dieser Gleichstrom im Mittelspannungsbereich erzeugt wird und von dort aus in dem autarken Stromleitungsnetz als Strom im Mittelspannungsbereich bis zu einer Ladestation des Systems geleitet wird. The above formulation "in the self-sufficient power line network over a longer distance from beyond the at least one transformer or the at least one transformer station to a charging station as electricity in the medium-voltage range" means that the conversion into the desired direct current takes place either in the transformer station or the transformer or, if necessary, partly beforehand, but at the latest in the transformer station or the transformer this direct current in the medium-voltage range is generated and from there is conducted in the self-sufficient power line network as electricity in the medium-voltage range to a charging station of the system.
Die Transformatorstation befindet sich im Leitungsweg zwischen dem Erzeuger und der Ladestation. Erfindungsgemäß geht es darum, den Strom über die Strecke des Leitungswegs von der Transformatorstation oder von dem Transformator bis zur Ladestation als Gleichstrom im Mittelspannungsbereich zu leiten. Die obige Formulierung „über eine längere Entfernung“ bedeutet, dass es sich in der Regel um eine Strecke von wenigstens einem Kilometer, in der Regel um eine Strecke von mehreren Kilometern, beispielsweise eine Strecke im Bereich von etwa 1 km bis etwa 50 km, vorzugsweise von etwa 5 km bis etwa 25 km handelt. Diese Strecke entspricht maximal dem Leitungsweg zwischen einem oder mehreren Stromerzeugern und der nächsten Ladestation des Systems, an der der Strom zur Verfügung gestellt werden soll. Es kann so sein, dass sich die Transformatorstation oder der Transformator in geringer Entfernung (beispielsweise weniger als 1 km) von dem oder den Stromerzeugern befinden. Die Transformatorstation oder der Transformator kann sich aber auch in einer Entfernung von beispielsweise einigen km, beispielsweise 2 oder 3 km von den Erzeugern befinden, wobei diese Strecke nicht zu lang sein sollte, da die Erfindung ja beabsichtigt, die Stromleitung bis zur nächsten Ladestation verlustarm als Gleichstrom im Mittelspannungsbereich zu leiten. In der Regel wird es also so sein, dass die Entfernung zwischen den Erzeugern und der Transformatorstation oder dem Transformator (erheblich) geringer ist als die Entfernung zur nächsten Ladestation. The transformer station is located in the line between the generator and the charging station. According to the invention, the aim is to conduct the electricity over the length of the line from the transformer station or from the transformer to the charging station as direct current in the medium voltage range. The above formulation "over a longer distance" means that it is generally a distance of at least one kilometer, generally a distance of several kilometers, for example a distance in the range of about 1 km to about 50 km, preferably from about 5 km to about 25 km. This distance corresponds at most to the line between one or more power generators and the next charging station of the system at which the electricity is to be made available. It may be that the transformer station or the transformer is located a short distance (for example less than 1 km) from the power generator(s). The transformer station or the The transformer can also be located at a distance of several kilometers, for example 2 or 3 km, from the generators, although this distance should not be too long, since the invention is intended to conduct the power line to the next charging station as a direct current in the medium voltage range with low losses. As a rule, the distance between the generators and the transformer station or the transformer will be (significantly) shorter than the distance to the next charging station.
Im Rahmen der Erfindung wird es angestrebt, Ladestationen entlang der Fahrstrecke in regelmäßigen Abständen zur Verfügung zu stellen, das heißt der Leitungsweg in dem autarken Stromleitungsnetz entlang der Fahrstrecke wird quasi in einzelne Abschnitte segmentiert, die der jeweiligen Entfernung von einer Ladestation zur nächsten entsprechen. Within the scope of the invention, the aim is to provide charging stations along the route at regular intervals, i.e. the line path in the self-sufficient power line network along the route is segmented into individual sections that correspond to the respective distance from one charging station to the next.
Um ein Beispiel zu nennen: Wenn beispielsweise die Entfernung zwischen einer ersten und einer zweiten benachbarten Ladestation entlang der Fahrstrecke 20 km beträgt, die Einspeisung von regenerativ erzeugtem Strom im Stromleitungsweg nahe der ersten Ladestation erfolgt und sich eine Transformatorstation oder ein Transformator in einer Entfernung von beispielsweise 500 m zum Einspeisungspunkt befindet, dann würde die Stromleitung als Gleichstrom im Mittelspannungsbereich im autarken Stromleitungsnetz von jenseits der Transformatorstation oder des Transformators bis zur zweiten Ladestation 20,5 km betragen. Vorzugsweise wird es aber so sein, dass sich mehrere Erzeuger entlang des Fahrstreckenabschnitts, der von der ersten zur zweiten Ladestation führt, befinden, so dass der Stromleitungsweg des Gleichstroms im Mittelspannungsbereich, der von diesen Erzeugern kommt, kürzer ist als die genannten 20,5 km. To give an example: If, for example, the distance between a first and a second adjacent charging station along the route is 20 km, the feed-in of renewably generated electricity takes place in the power line path near the first charging station and a transformer station or a transformer is located at a distance of, for example, 500 m from the feed-in point, then the power line as direct current in the medium-voltage range in the self-sufficient power line network from beyond the transformer station or the transformer to the second charging station would be 20.5 km. Preferably, however, there will be several generators along the section of the route that leads from the first to the second charging station, so that the power line path of the direct current in the medium-voltage range coming from these generators is shorter than the aforementioned 20.5 km.
Gleichwohl sollte das System eingerichtet sein, den Gleichstrom im Mittelspannungsbereich über die gesamte Strecke zu leiten, die der Entfernung zwischen zwei Ladestationen entspricht. Wenn es sich bei der Fahrstrecke beispielsweise um eine Autobahn handelt, befinden sich bevorzugt Ladestationen mindestens an jedem Rastplatz. Wenn die Abstände zwischen zwei Rastplätzen zu groß sind, ist es bevorzugt, Ladestationen auch an Parkplätzen vorzusehen, deren Abstände an Autobahnen in der Regel geringer sind, da sie zwischen den Rastplätzen liegen. Parkplätze an Autobahnen sind bei ausreichender Flächengröße ohne weiteres für das Laden von Elektrofahrzeugen geeignet. Nevertheless, the system should be set up to conduct the medium-voltage direct current over the entire route, which corresponds to the distance between two charging stations. If the route is a motorway, for example, charging stations should preferably be located at at least every rest area. If the distances between two rest areas are too large, it is preferable to also provide charging stations in parking lots, which are usually closer together on motorways because they are located between the rest areas. Parking lots on motorways are easily suitable for charging electric vehicles if the area is large enough.
Als Gleichstrom im „Mittelspannungsbereich“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Gleichstrom von vorzugsweise mindestens etwa 800 Volt bis zu etwa 20 kV angesehen. For the purposes of the present invention, direct current in the “medium voltage range” is considered to be a direct current of preferably at least about 800 volts up to about 20 kV.
Ein solches autarkes Stromleitungsnetz als Teil des Systems, in dem die regenerative Energie erzeugt wird, hat eine Reihe von Vorteilen. Zum einen kann dieses autarke Stromleitungsnetz bedarfsgerecht ausgelegt werden, was bedeutet, es wird so berechnet und dimensioniert, dass immer mindestens in einem solchen Umfang elektrische Energie im Bereich der Fahrwege zur Verfügung steht, wie sie von den den Fahrweg befahrenden Fahrzeugen zu Spitzenzeiten verbraucht wird. Die Erzeugung der regenerativen Energie erfolgt dort, wo sie verbraucht wird, so dass sich kurze Stromleitungswege ergeben und damit die Energieverluste minimiert werden. Die teils bereits versiegelten Flächen entlang der Fahrwege sind als Siedlungsgebiete oder naturnahe Fläche ohnehin nicht geeignet, so dass für die Installation der Anlagen zur Erzeugung der Energie, für die Stromleitungswege und gegebenenfalls Speichereinrichtungen keine weiteren Eingriffe in die Natur notwendig sind und keine wertvollen natürlichen Flächen verbraucht werden. Such a self-sufficient power grid as part of the system in which the renewable energy is generated has a number of advantages. Firstly, this self-sufficient The power line network must be designed to meet demand, which means that it is calculated and dimensioned in such a way that there is always at least as much electrical energy available in the area of the routes as is consumed by the vehicles using the route at peak times. Renewable energy is generated where it is consumed, so that power line routes are short and energy losses are minimized. The areas along the routes, some of which are already sealed, are not suitable as residential areas or near-natural areas anyway, so that no further interventions in nature are necessary for the installation of the systems for generating energy, for the power lines and, if necessary, storage facilities, and no valuable natural areas are used up.
Auch etwaige Speichereinrichtungen, die im System benötigt werden, wenn temporär mehr Strom erzeugt wird, als das System verbraucht, können als Teil des Systems in räumlicher Nähe zu dem Fahrweg errichtet werden. Gleiches gilt für die Ladestationen, die beispielsweise an bereits vorhandenen Parkplätzen und Raststätten installiert werden können, so dass auch hier keine weiteren Naturflächen vernichtet werden müssen. Sowohl die Windkraftanlagen und Photovoltaikanlagen als Erzeuger regenerativer elektrischer Energie, als auch Speichereinrichtungen in Form von Akkumulatoren oder beispielsweise Tanks, in denen elektrolytisch erzeugter Wasserstoff oder gegebenenfalls Methan, LPG, Methanol oder Ammoniak gespeichert wird, welche mittels des regenerativ hergestellten Stroms im System erzeugt wurden, können ebenso wie elektrische Leitungen, auch Oberleitungen und andere im System benötigte Leitungssysteme wie Rohrleitungen für Wasserstoff, LPG oder andere energiereiche Flüssigkeiten, in der Peripherie der Fahrwege angeordnet sein und sind damit Teil des autarken Systems. Any storage facilities that are required in the system when more electricity is temporarily generated than the system consumes can also be built as part of the system in close proximity to the track. The same applies to charging stations, which can be installed, for example, in existing parking lots and rest areas, so that no further natural areas need to be destroyed here either. Both the wind turbines and photovoltaic systems as generators of renewable electrical energy, as well as storage facilities in the form of accumulators or, for example, tanks in which electrolytically generated hydrogen or, if necessary, methane, LPG, methanol or ammonia is stored, which were generated in the system using the renewably produced electricity, can be arranged on the periphery of the track, as can electrical lines, overhead lines and other line systems required in the system, such as pipelines for hydrogen, LPG or other energy-rich liquids, and are thus part of the self-sufficient system.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass das bestehende Stromnetz außerhalb des Systems entlastet wird, da die Fernleitungen für Strom von beispielsweise Off-shore-Windparks bis zu den Fahrwegen entfallen. A further advantage of the solution according to the invention is that the existing power grid outside the system is relieved, since the long-distance power lines from, for example, offshore wind farms to the roadways are no longer required.
In der Regel ist der Staat bereits Inhaber der Grundstücke an und in Nähe der Fahrwege (Autobahnen und Bundesstraßen), so dass die Installation aller notwendigen Einrichtungen für das System kurzfristig ohne Beschaffung von Grundstücken und langjährige Rechtsstreitigkeiten mit Dritt-Eigentümern erfolgen kann. As a rule, the state already owns the land on and near the roads (motorways and federal highways), so that the installation of all the necessary facilities for the system can be carried out in the short term without acquiring land and long-term legal disputes with third-party owners.
Die Erfindung beschreitet somit einen anderen Weg als der eingangs genannte Stand der Technik, bei dem Windkraftanlagen, die ortsfern zu den Ladestationen angeordnet sind, verwendet werden, um regenerative Energie zu erzeugen und bei dem entweder ganze Ladesäulen oder die Batterien für die Fahrzeuge zu Elektrotankstellen hin transportiert werden müssen, um Elektrofahrzeuge aufzuladen oder die Batterien auszutauschen. The invention thus follows a different path than the state of the art mentioned at the beginning, in which wind turbines located far away from the charging stations are used to generate renewable energy and in which either entire Charging stations or the batteries for the vehicles have to be transported to electric charging stations in order to charge electric vehicles or replace the batteries.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird unter einer „Ladestation“ ein Areal wie beispielsweise ein Parkplatz oder ein Rastplatz entlang einer Autobahn oder einer größeren Landstraße verstanden, an dem sich-neben den eigentlichen „Ladesäulen“ selbst-Gebäude als Verbraucher und weitere Infrastruktur wie Trafostationen, Umspanneinrichtungen etc. befinden können. Dies hat den Vorteil, dass man nicht nur die Ladesäulen, sondern auch die Gebäude, wie Restaurants, Tankstellen usw. mit der im Bereich der Fahrstrecke erzeugten elektrischen Energie versorgen kann. Gemäß der Erfindung wird somit vorzugsweise ein eigenes Stromleitungsnetz geschaffen, welches beispielsweise vom öffentlichen Versorgungsnetz autark sein und nur jeweils eine Ladestation, beispielsweise eine Raststätte, versorgen kann, welches aber gegebenenfalls auch mit dem öffentlichen Leitungsnetz verbunden sein kann, so dass Übermengen an elektrischer Energie, die im Bereich der Ladestation nicht verbraucht wird, in das öffentliche Leitungsnetz eingespeist werden oder beispielsweise auch dazu genutzt werden können, Ortschaften oder einzelne Häuser, die sich in der Nähe der Fahrstrecke befinden, mit elektrischer Energie zu versorgen. According to the present invention, a "charging station" is understood to be an area such as a parking lot or a rest area along a motorway or a major country road, where - in addition to the actual "charging stations" themselves - buildings as consumers and other infrastructure such as transformer stations, substations, etc. can be located. This has the advantage that not only the charging stations, but also the buildings, such as restaurants, gas stations, etc. can be supplied with the electrical energy generated in the area of the route. According to the invention, a separate power line network is thus preferably created, which can, for example, be independent of the public supply network and only supply one charging station at a time, for example a rest area, but which can also be connected to the public line network if necessary, so that excess amounts of electrical energy that are not consumed in the area of the charging station can be fed into the public line network or can, for example, also be used to supply towns or individual houses that are located near the route with electrical energy.
Die vorliegende Erfindung geht von der Überlegung aus, dass es bei der Nutzung von regenerativer Energie für das Aufladen von Fahrzeugbatterien vorteilhaft ist, den Ort der Erzeugung dieser Energie möglichst räumlich nahe zum Ort des Verbrauchs der Energie zu wählen. Die meisten Personenkraftwagen und Lastkraftwagen befahren die Autobahnen oder großen Landstraßen. Das Verkehrsaufkommen auf Autobahnen und wichtigen Landstraßen lässt sich aufgrund von Vergleichswerten recht gut einschätzen. Diese Verkehrswege finden sich in einem hoch entwickelten Industrieland mit guter Infrastruktur wie beispielsweise in der Bundesrepublik Deutschland nahezu flächendeckend in einem dichten Straßennetz. Da sich dieses Netz der am meisten befahrenen Straßen über insgesamt Tausende von Kilometern erstreckt, steht in der unmittelbaren Umgebung der Straßen eine große Fläche zur Verfügung. Diese Fläche kann man für die Errichtung von Windkraftanlagen und gegebenenfalls Solaranlagen nutzen. Die Erfindung schlägt vor, in Nähe einer Autobahn oder großen Landstraße Windkraftanlagen, gegebenenfalls auch Kleinwindkraftanlagen zu installieren, den weiteren Vorteil haben, dass sie bei einer Gesamthöhe von bis zu 10 m keiner baurechtlichen Genehmigungspflicht unterliegen. Auch die Installation und Montage einer solchen Kleinwindkraftanlage ist mit einem geringeren Aufwand möglich als dies bei einer großen Windkraftanlage der Fall ist, da die einzelnen Bauteile kleiner sind und ein geringeres Gewicht haben und sich problemlos mit Fahrzeugen transportieren lassen. Außerdem erübrigt sich der Aufwand für das Erstellen großer Fundamente. The present invention is based on the idea that when using renewable energy to charge vehicle batteries, it is advantageous to choose the location where this energy is generated as close as possible to the location where the energy is consumed. Most cars and trucks use motorways or major country roads. The volume of traffic on motorways and major country roads can be estimated quite well based on comparative values. In a highly developed industrial country with good infrastructure, such as the Federal Republic of Germany, these traffic routes are found almost everywhere in a dense road network. Since this network of the most heavily used roads extends over a total of thousands of kilometers, a large area is available in the immediate vicinity of the roads. This area can be used to build wind turbines and, if necessary, solar systems. The invention proposes installing wind turbines, possibly even small wind turbines, near a motorway or major country road. The additional advantage is that they are not subject to building permit requirements with a total height of up to 10 m. The installation and assembly of such a small wind turbine is also possible with less effort than is the case with a large wind turbine, since the individual components are smaller and have a lower weight and can be easily transported by vehicles. transported. In addition, the effort required to build large foundations is no longer necessary.
Die Idee eines autarken Stromnetzes im Bereich von Autobahnen oder anderen großen Fahrwegen hat den weiteren Vorteil, dass dieses Stromnetz vom Staat kontrollierbar ist und nicht im Eigentum einer größeren Anzahl unterschiedlicher industrieller, regionaler oder kommunaler Energieerzeuger steht. Beispielsweise kann ein Konsortium von Unternehmen im Auftrag des Staates oder eine staatliche Gesellschaft das erfindungsgemäße System betreiben, ähnlich wie dies im Schienenverkehr der Fall ist. Regenerativ erzeugter Strom kann beispielsweise elektrolytisch in Wasserstoff umgewandelt werden, so dass mit Brennstoffzellen ausgestattete Fahrzeuge im System auch Wasserstoff tanken können. Ebenso können auch Fahrzeuge versorgt werden, die über Metallhybridspeicher verfügen. The idea of a self-sufficient power grid in the area of highways or other large roads has the further advantage that this power grid can be controlled by the state and is not owned by a large number of different industrial, regional or municipal energy producers. For example, a consortium of companies on behalf of the state or a state-owned company can operate the system according to the invention, similar to what is done in rail transport. Renewable electricity can, for example, be converted electrolytically into hydrogen, so that vehicles equipped with fuel cells can also fill up with hydrogen in the system. Vehicles that have metal hybrid storage systems can also be supplied with energy.
Ein weiterer Vorteil des Systems liegt darin, dass es sich viel besser überwachen und sichern lässt als das bestehende, sehr unübersichtliche, öffentliche Stromnetz, bei dem zahlreiche regionale Eigner der Leitungen und Stromtrassen vorhanden sind, die über die Grundstücke unzähliger verschiedener (Fremd)-Eigentümer geführt sind. A further advantage of the system is that it can be monitored and secured much better than the existing, very confusing, public power grid, in which there are numerous regional owners of the lines and power lines that run across the properties of countless different (third-party) owners.
Der Platzbedarf von beispielsweise Kleinwindkraftanlagen ist gering und diese können in geringem Abstand zueinander und zu dem Verkehrsweg errichtet werden. Außerdem ist der Geräuschpegel niedrig und wird kaum als störend empfunden. Kleinwindkraftanlagen mit einem Rotordurchmesser von bis zu 3 m können beispielsweise eine Leistung von etwa 5 kW oder auch mehr produzieren. Wenn man somit entlang einer Autobahnstrecke 1000 solcher Kleinwindkraftanlagen installiert, erzeugt man die gleiche elektrische Leistung wie eine große Windkraftanlage mit 5 MW. Wenn man die Kleinwindkraftanlagen in einem Abstand von beispielsweise 20 m zueinander in beispielsweise drei parallelen Reihen, zum Beispiel seitlich neben jeder Fahrbahn und auf dem Mittelstreifen aufstellt, lassen sich pro Autobahnkilometer 50 x 3 = 150 solcher Anlagen installieren, was bei nur 5 kW pro Anlage bereits einer Leistung von 750 kW pro km Autobahn entspricht. Es bietet sich an, Ladestationen für das Aufladen der Elektrofahrzeuge an Parkplätzen und Raststätten zu errichten, da dort die Fahrzeuge problemlos anhalten können. Das gesamte Autobahnnetz hat in Deutschland eine Länge von etwa 13.000 km. Parkplätze finden sich im Durchschnitt in einem Abstand von weniger als 10 km. Rechnet man zur Vereinfachung mit einem Abstand von 10 km, dann lässt sich bei der obigen Beispielrechnung eine elektrische Leistung allein aus den Kleinwindkraftanlagen von 7,5 MW für beide Fahrspuren einer Autobahn zwischen zwei Parkplätzen erzielen, so dass bei Parkplätzen auf beiden Seiten der Autobahn auf jeder Seite jeweils 3,75 MW an installierter Leistung für das Aufladen von Fahrzeugbatterien sowie gegebenenfalls weiterer Verbraucher zur Verfügung stünden. Small wind turbines, for example, take up little space and can be installed close to each other and to the road. The noise level is also low and is hardly perceived as disturbing. Small wind turbines with a rotor diameter of up to 3 m can, for example, produce an output of around 5 kW or more. If 1,000 of these small wind turbines are installed along a stretch of motorway, they generate the same electrical output as a large 5 MW wind turbine. If the small wind turbines are installed at a distance of, for example, 20 m from each other in three parallel rows, for example on the side of each lane and on the central reservation, 50 x 3 = 150 of these turbines can be installed per kilometer of motorway, which, with just 5 kW per turbine, already corresponds to an output of 750 kW per km of motorway. It is advisable to set up charging stations for charging electric vehicles in parking lots and rest areas, as the vehicles can stop there without any problem. The entire motorway network in Germany is around 13,000 km long. On average, parking spaces are less than 10 km apart. If we use a distance of 10 km for simplicity, then in the example calculation above, an electrical output of 7.5 MW can be achieved from the small wind turbines alone for both lanes of a motorway between two parking spaces, so that with parking spaces on both sides On each side of the motorway, 3.75 MW of installed capacity would be available for charging vehicle batteries and, if necessary, other consumers.
Auf das gesamte Autobahnnetz von 13.000 km bezogen ergäbe sich eine Leistung von 13.000 x 750 kW = 9,75 GW. Geht man zum Beispiel von 5.000 Vollbenutzungsstunden aus, wären das 9,75 Mio kW x 5.000 h = 9,75 Mrd kWh. Der elektrische Gesamtverbrauch der Bundesrepublik Deutschland liegt bei jährlich etwa 600 Milliarden kWh, so dass allein durch die Kleinwindkraftanlagen in dem erfindungsgemäßen System entlang der Autobahn etwa 1 ,6 % des gesamten Verbrauchs an Energie in Deutschland geliefert werden könnten. Based on the entire motorway network of 13,000 km, this would result in an output of 13,000 x 750 kW = 9.75 GW. If, for example, one assumes 5,000 hours of full use, this would be 9.75 million kW x 5,000 h = 9.75 billion kWh. The total electricity consumption of the Federal Republic of Germany is around 600 billion kWh per year, so that the small wind turbines in the system according to the invention along the motorway alone could supply around 1.6% of the total energy consumption in Germany.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann man Photovoltaikanlagen und gegebenenfalls Windkraftanlagen, die mit dem autarken Stromleitungsnetz des Systems verbunden sind, in der Nähe der Fahrstrecke, insbesondere in Reihen auf einem Randstreifen neben einer Fahrbahn und/oder auf dem Mittelstreifen zwischen zwei Fahrbahnen installieren. Durch die Kombination von Windkraftanlagen und Photovoltaikanlagen lässt sich die insgesamt aus regenerativen Energien erzielbare elektrische Leistung, die an den Ladestationen zur Verfügung steht, weiter erhöhen. According to a preferred development of the invention, photovoltaic systems and, if appropriate, wind turbines that are connected to the system's autonomous power grid can be installed near the route, in particular in rows on a shoulder next to a roadway and/or on the central reservation between two roadways. By combining wind turbines and photovoltaic systems, the total electrical power that can be achieved from renewable energies and is available at the charging stations can be further increased.
Bei manchen Autobahnen oder Landstraßen kann es vorkommen, dass diese in einem abgesenkten Gelände liegen. In diesen Fällen ist es gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung von Vorteil, wenn bei einer gegenüber der Umgebung tiefer liegenden Fahrstrecke die Windkraftanlagen auf einem gegenüber der Fahrstrecke erhöhten Standort in Nähe der Fahrstrecke installiert werden, an dem die Rotoren der Kleinwindkraftanlagen ausreichend von Wind beaufschlagt werden. In der Regel befindet sich neben dem Fahrweg eine Böschung, so dass man die Windkraftanlagen dann im oberen Bereich der Böschung aufstellen kann, so dass die Rotoren über die Böschung ragen und daher optimal vom Wind beaufschlagt werden. Auch in diesen Fällen werden die Windkraftanlagen „in der Nähe“ des Fahrwegs und entlang des Fahrwegs im Sinne der Erfindung installiert. Some motorways or country roads may be located on a lowered terrain. In these cases, according to a preferred development of the invention, it is advantageous if, when the route is lower than the surrounding area, the wind turbines are installed at a higher location than the route, close to the route, where the rotors of the small wind turbines are sufficiently exposed to the wind. There is usually an embankment next to the road, so that the wind turbines can then be set up in the upper part of the embankment, so that the rotors protrude over the embankment and are therefore optimally exposed to the wind. In these cases too, the wind turbines are installed "close to" the road and along the road in the sense of the invention.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist wenigstens eine Photovoltaikanlage, die mit dem autarken Stromleitungsnetz des Systems elektrisch verbunden ist, auf einem Verkehrsschild oder einer Hinweistafel an oder in Nähe der Fahrbahn angeordnet und/oder auf der Fahrbahn ist eine Photovoltaikanlage angeordnet und/oder die Fahrbahn ist mindestens teilweise als Photovoltaikanlage ausgebildet. According to a preferred development of the invention, at least one photovoltaic system, which is electrically connected to the autonomous power line network of the system, is arranged on a traffic sign or information board on or near the roadway and/or a photovoltaic system is arranged on the roadway and/or the roadway is at least partially designed as a photovoltaic system.
Die Photovoltaikanlagen, die gemäß der Erfindung optional zusätzlich in der Nähe und entlang des Fahrwegs installiert werden, können entweder bodennah mit entsprechender Neigung und bevorzugt Südausrichtung aufgestellt werden. Auch hier besteht der Vorteil, dass die Grundstücke entlang des Fahrwegs sich im Eigentum des Staates oder gegebenenfalls in der Hand eines einzigen Eigentümers befinden, sofern es sich wie in Ländern wie Frankreich oder Italien um eine private Gesellschaft handelt, die die Autobahn betreibt. Weiterhin ergibt sich gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung die Möglichkeit, wenigstens eine Photovoltaikanlage, die mit dem Stromleitungsnetz elektrisch verbunden ist, im Bereich eines Randstreifens neben einer Fahrbahn und/oder auf dem Mittelstreifen zwischen zwei Fahrbahnen und/oder auf einem Verkehrsschild oder einer Hinweistafel an oder in Nähe der Fahrbahn anzuordnen. Mit den ohnehin vorhandenen Verkehrsschildern und Hinweistafeln stehen somit zusätzliche Flächen zur Verfügung, an denen die Anbringung von Photovoltaikanlagen bei entsprechender Ausrichtung mit verhältnismäßig geringem technischem Aufwand möglich ist. The photovoltaic systems, which according to the invention can be installed optionally in the vicinity and along the roadway, can be installed either close to the ground with the appropriate inclination and preferably facing south. Here too there is the advantage that that the land along the road is owned by the state or, where appropriate, in the hands of a single owner, provided that, as in countries such as France or Italy, it is a private company that operates the motorway. Furthermore, according to a preferred development of the invention, it is possible to arrange at least one photovoltaic system that is electrically connected to the power grid in the area of a verge next to a roadway and/or on the central reservation between two roadways and/or on a traffic sign or information board on or near the roadway. With the traffic signs and information boards that are already there, additional areas are thus available where the installation of photovoltaic systems is possible with relatively little technical effort if they are aligned accordingly.
Eine zusätzliche Möglichkeit besteht darin, die Fahrbahn selbst mit Photovoltaikanlagen zu versehen oder als Photovoltaikanlage auszugestalten. Es sind bereits Fahrbahnbeläge bekannt, die Sonnenenergie in elektrische Energie umwandeln können und die ausreichend mit Gewicht belastbar sind, so dass sie sich als Fahrstrecke eignen, so dass es technisch möglich ist, die Fahrstrecke/Fahrbahn selbst als Photovoltaikanlage und somit als zusätzlicher Lieferant regenerativer Energie zu nutzen. An additional possibility is to equip the roadway itself with photovoltaic systems or to design it as a photovoltaic system. Road surfaces are already known that can convert solar energy into electrical energy and that can bear enough weight to be suitable as a roadway, so that it is technically possible to use the roadway/roadway itself as a photovoltaic system and thus as an additional supplier of renewable energy.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird wenigstens eine Photovoltaikanlage, die mit dem Stromleitungsnetz elektrisch verbunden ist, an einer Lärmschutzwand neben der Fahrbahn angeordnet. Derartige Lärmschutzwände sind, insbesondere wenn eine Autobahn durch ein Wohngebiet geführt wird oder sich in Nähe besiedelter Gebiete befindet, vorhanden und bieten große Flächen für die Installation von Photovoltaikanlagen. Weitere Anlagen können beispielsweise an Flächen von vorhandenen Bauten wie beispielsweise Brückengeländern oder stirnseitig an Unterführungen installiert werden. In allen genannten Fällen ergibt sich ein Vorteil daraus, dass die Erfindung für die Anbringung von Photovoltaikanlagen Flächen nutzen kann, die bereits Teil der vorhandenen Infrastruktur in der Nähe von Fahrwegen wie Autobahnen und größeren Landstraßen sind und über die der Staat oder der Betreiber der Autobahn verfügen kann. Dadurch erniedrigen sich die Montagekosten und es ist außerdem nicht notwendig, den Strom von einem privaten Betreiber einer größeren Photovoltaikanlage zu erwerben, wie das bislang teilweise der Fall ist, wenn Photovoltaikanlagen von privaten Betreibern beispielsweise auf landwirtschaftlichen Flächen errichtet werden. Die Erfindung nutzt auch den weiteren Kostenvorteil, dass das Leitungsnetz, in das der regenerativ erzeugte Strom eingespeist wird, erheblich kürzer gehalten werden kann, da dieses Leitungsnetz entlang des Fahrweges und somit in unmittelbarer Nähe der errichteten Kleinwindkraftanlagen bzw. Photovoltaikanlagen verlegt werden kann und von dort zu den Ladestationen geführt werden kann. According to a preferred development of the invention, at least one photovoltaic system, which is electrically connected to the power line network, is arranged on a noise barrier next to the roadway. Such noise barriers are available, especially when a motorway runs through a residential area or is located near populated areas, and offer large areas for the installation of photovoltaic systems. Additional systems can be installed, for example, on areas of existing buildings such as bridge railings or on the front of underpasses. In all of the cases mentioned, an advantage arises from the fact that the invention can use areas for the installation of photovoltaic systems that are already part of the existing infrastructure near roads such as motorways and major country roads and that the state or the operator of the motorway can use. This reduces installation costs and it is also not necessary to purchase the electricity from a private operator of a larger photovoltaic system, as has sometimes been the case up to now when photovoltaic systems are built by private operators on agricultural land, for example. The invention also makes use of the further cost advantage that the power grid into which the renewably generated electricity is fed can be kept considerably shorter, since this power grid is installed along the route and thus in the immediate vicinity of the small wind turbines or power stations that have been erected. Photovoltaic systems and from there to the charging stations.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst das erfindungsgemäße System mindestens eine Transformatorstation, wobei der von mindestens einer Windkraftanlage erzeugte Strom in einen Dreiphasenwechselstrom vorzugsweise im Niederspannungsbereich umgewandelt wird. Man kann eine solche Transformatorstation beispielsweise dazu nutzen, den Strom, welcher von den Windkraftanlagen einerseits und von den Photovoltaikanlagen andererseits erzeugt wird, zunächst zu vereinheitlichen, so dass danach beispielsweise ein Weiterleiten in einem gemeinsamen Leitungsnetz des Systems möglich ist. Beispielsweise kann man dann weiterhin diesen einheitlichen Strom aller regenerativer Erzeuger von einem Niederspannungsbereich hoch transformieren in einen Mittelspannungsbereich, um dann den Strom mit geringeren Verlusten über eine längere Strecke weiterzuleiten, insbesondere zu der Ladestation, in deren Bereich der Strom an die Verbraucher abgegeben wird. According to a preferred development of the invention, the system according to the invention comprises at least one transformer station, wherein the electricity generated by at least one wind turbine is converted into a three-phase alternating current, preferably in the low-voltage range. Such a transformer station can be used, for example, to initially standardize the electricity generated by the wind turbines on the one hand and by the photovoltaic systems on the other, so that it can then be transmitted in a common power grid of the system. For example, this uniform electricity from all renewable generators can then be further transformed from a low-voltage range to a medium-voltage range in order to then transmit the electricity with lower losses over a longer distance, in particular to the charging station in whose area the electricity is supplied to the consumers.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst das System mindestens eine Transformatorstation, wobei auch der von mindestens einer Photovoltaikanlage erzeugte Strom, bei dem es sich in diesem Fall um Gleichstrom handelt, in eine Dreiphasenwechselspannung vorzugsweise im Niederspannungsbereich umgewandelt, in das Leitungsnetz eingespeist und weiter geleitet wird. Gemäß dieser Variante der Erfindung wandelt man sowohl den mittels Windkraft als auch den mittels Sonnenenergie erzeugten Stromanteil jeweils in Dreiphasenwechselspannung um, bevorzugt mit jeweils gleicher Frequenz, insbesondere mit der üblichen Netzfrequenz von 50 Hertz, wobei die Spannung besonders bevorzugt jeweils bei etwa 400 Volt liegt, was die übliche Dreiphasenwechselspannung ist, die dem Niederspannungsbereich zugerechnet wird. Auf diese Weise erhält man von beiden Energieerzeugern Strom mit jeweils gleichen Parametern und kann diesen einheitlich in ein Leitungssystem einleiten, über welches der Strom zu den Verbrauchern insbesondere im Bereich der am nächsten gelegenen Ladestation geleitet wird. According to a preferred development of the invention, the system comprises at least one transformer station, whereby the electricity generated by at least one photovoltaic system, which in this case is direct current, is converted into a three-phase alternating voltage, preferably in the low-voltage range, fed into the power grid and passed on. According to this variant of the invention, both the electricity generated by wind power and the electricity generated by solar energy are each converted into three-phase alternating voltage, preferably with the same frequency, in particular with the usual grid frequency of 50 hertz, with the voltage particularly preferably being around 400 volts, which is the usual three-phase alternating voltage that is assigned to the low-voltage range. In this way, electricity with the same parameters is obtained from both energy generators and can be fed uniformly into a line system via which the electricity is fed to the consumers, in particular in the area of the nearest charging station.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst das Stromleitungsnetz, in welches der von mindestens einer Windkraftanlage und gegebenenfalls von mindestens einer Photovoltaikanlage erzeugte Strom eingespeist wird, mindestens einen Transformator, vorzugsweise mindestens eine Transformatorstation, in der niederspannungsseitiger Dreiphasenwechselstrom in einen Strom im Mittelspannungsbereich umgewandelt wird. Anstelle einer solchen Transformatorstation (die man auch als eine Art Umspannstation bezeichnen könnte) kann auch beispielsweise nur ein einzelner Transformator, beispielsweise in einer Umspannstation im Leitungsweg vom Energieerzeuger zum Verbraucher angeordnet sein. According to a preferred development of the invention, the power line network into which the electricity generated by at least one wind turbine and possibly by at least one photovoltaic system is fed comprises at least one transformer, preferably at least one transformer station, in which low-voltage three-phase alternating current is converted into a current in the medium-voltage range. Instead of such a transformer station (which can also be referred to as a type of substation For example, a single transformer can also be arranged in a substation on the line from the energy generator to the consumer (as could be described).
Das System arbeitet somit wie folgt. Die Windkraftanlagen erzeugen Wechselspannung, vorzugsweise niederspannungsseitig (beispielsweise Drehstrom mit 400 V), welcher zu einer Trafostation geleitet werden kann. Gegebenenfalls (in der Regel) verwendet man einen Frequenzumrichter, um die Frequenz des von der Windkraftanlage erzeugten Stroms auf die übliche Netzfrequenz von 50 Hz umzustellen. Ein solcher Frequenzumrichter kann in der Windkraftanlage integriert sein. Die Photovoltaikanlagen erzeugen Gleichspannung, die ebenfalls beispielsweise in einer Trafostation über einen Wechselrichter in niederspannungsseitigen Drehstrom umgewandelt wird. Dieser Drehstrom kann über einen Transformator in eine Mittelspannung im Bereich von beispielsweise 10 kV bis 20 kV (oder höher) umgewandelt und dann über eine Entfernung von beispielsweise 1 km oder mehreren km bis zu einer Ladestation transportiert werden. Diese Entfernungen hängen unter anderem von den Abständen zwischen den Ladestationen ab, von der Anzahl der Erzeuger regenerativer Energie, die Strom einspeisen, und davon, ob man nur eine oder mehrere Trafostationen (Umspannstationen) zwischen jeweils zwei Ladestationen vorsieht. The system therefore works as follows. The wind turbines generate alternating current, preferably on the low-voltage side (for example three-phase current at 400 V), which can be fed to a transformer station. If necessary (usually), a frequency converter is used to convert the frequency of the current generated by the wind turbine to the usual grid frequency of 50 Hz. Such a frequency converter can be integrated into the wind turbine. The photovoltaic systems generate direct current, which is also converted, for example, in a transformer station via an inverter into low-voltage three-phase current. This three-phase current can be converted via a transformer into a medium voltage in the range of, for example, 10 kV to 20 kV (or higher) and then transported over a distance of, for example, 1 km or several km to a charging station. These distances depend, among other things, on the distances between the charging stations, the number of renewable energy producers that feed in electricity, and whether only one or several transformer stations (substations) are provided between each two charging stations.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist das erfindungsgemäße Stromleitungsnetz ausgelegt, Strom über eine längere Entfernung von jenseits mindestens einer Transformatorstation bis zu einer Ladestation als Strom im Mittelspannungsbereich zu leiten. Bevorzugt wird somit im Rahmen des erfindungsgemäßen Systems ein eigenes Stromleitungsnetz verwendet, welches entsprechend den Bedürfnissen des Systems konfiguriert ist. Grundsätzlich kann man natürlich anstelle eines eigenen Stromleitungsnetzes auch Teile eines vorhandenen öffentlichen Netzes verwenden. In der Regel wird es aber so sein, dass in Bereichen entlang einer Autobahn oder größeren Landstraße keine geeigneten Leitungen des öffentlichen Netzes vorhanden sind. Über das öffentliche Stromnetz werden bislang allenfalls die Raststätten oder gegebenenfalls Parkplätze versorgt, an denen sich bereits Ladesäulen für Elektrofahrzeuge befinden. Daher müssten ohnehin Leitungen verlegt werden, die von den Erzeugern regenerativer Energie zu den Ladestationen führen. Somit bietet es sich an, hierfür ein separates Stromleitungsnetz zu installieren, welches den oben geschilderten Erfordernissen des erfindungsgemäßen Systems entspricht. According to a preferred development of the invention, the power line network according to the invention is designed to conduct electricity over a longer distance from beyond at least one transformer station to a charging station as electricity in the medium voltage range. Preferably, a separate power line network is used within the framework of the system according to the invention, which is configured according to the needs of the system. In principle, parts of an existing public network can of course also be used instead of a separate power line network. As a rule, however, there will be no suitable public network lines in areas along a motorway or major country road. Up to now, the public power network has only supplied the rest areas or, if applicable, parking spaces where there are already charging stations for electric vehicles. Therefore, lines would have to be laid anyway that lead from the producers of renewable energy to the charging stations. It is therefore advisable to install a separate power line network for this purpose, which meets the requirements of the system according to the invention described above.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist mindestens eine Ladestation im Bereich mindestens einer an der Fahrstrecke angeordneten Raststätte oder eines Parkplatzes angeordnet. Unter Ladestation wird, wie bereits oben erläutert, der gesamte Bereich verstanden, welcher eine Art Elektro-Tankstelle mit Ladesäulen für PKWs und LKWs umfassen kann, gegebenenfalls Wechselstationen, an denen man leere Batterien gegen aufgeladene Batterien tauschen kann, welcher weiterhin gegebenenfalls eine herkömmliche Tankstelle für Benzin und Diesel umfassen kann, sanitäre Anlagen, Parkmöglichkeiten, Rekreationsbereiche, gegebenenfalls Restaurants etc., das heißt die entsprechende Infrastruktur wie man sie auf herkömmlichen Parkplätzen oder Raststätten beispielsweise an Autobahnen findet. Somit umfasst die Ladestation in der Regel neben den Ladesäulen und gegebenenfalls Wechselstationen, die spezifisch für elektromotorische angetriebene Fahrzeuge konzipiert sind, auch eine Reihe weiterer elektrischer Verbraucher und das erfindungsgemäße System ist besonders bevorzugt so ausgestaltet, dass der gesamte Strombedarf einer solchen Ladestation mit oder ohne Raststätte durch den aus regenerativer Energie erzeugten Strom, welcher über das erfindungsgemäße Leitungsnetz zu der Ladestation geleitet wird, abgedeckt werden kann. In diesem Idealfall ist die Ladestation somit energetisch autark und benötigt keinen Anschluss an das öffentliche Leitungsnetz. Damit ist sichergestellt, dass die gesamte Ladestation ausschließlich mit regenerativer Energie versorgt wird, wobei diese regenerative Energie vollständig im System selbst erzeugt werden kann, das heißt keine herkömmlichen großen Windkraftanlagen, Solaranlagen oder Wasserkraftwerke zusätzlich errichtet werden müssen. Letztlich ist somit die Fahrstrecke selbst, insbesondere die Autobahn oder größere Landstraße, der Energielieferant für den Energiebedarf der Fahrstrecke, wobei keine Umweltbelastung durch Ausstoß von CO2 bei der Energieerzeugung entsteht. According to a preferred development of the invention, at least one charging station is arranged in the area of at least one rest stop or parking lot located along the route. As already explained above, the term charging station refers to the entire Area which can include a type of electric filling station with charging stations for cars and trucks, possibly exchange stations where you can exchange empty batteries for charged batteries, which can also include a conventional filling station for petrol and diesel, sanitary facilities, parking facilities, recreational areas, possibly restaurants, etc., i.e. the corresponding infrastructure as you find in conventional parking lots or rest areas, for example on motorways. Thus, in addition to the charging stations and possibly exchange stations that are specifically designed for electric motor-driven vehicles, the charging station usually also includes a number of other electrical consumers and the system according to the invention is particularly preferably designed in such a way that the entire power requirement of such a charging station with or without a rest area can be covered by the power generated from renewable energy, which is fed to the charging station via the line network according to the invention. In this ideal case, the charging station is therefore energetically self-sufficient and does not require a connection to the public line network. This ensures that the entire charging station is supplied exclusively with renewable energy, whereby this renewable energy can be generated entirely within the system itself, meaning that no conventional large wind turbines, solar systems or hydroelectric power plants need to be built additionally. Ultimately, the route itself, in particular the motorway or major country road, is the energy supplier for the energy requirements of the route, with no environmental impact from CO2 emissions during energy generation.
Vorteilhaft ist dabei, dass das System so konzipiert und ausgelegt werden kann, dass der Energiebedarf einer Ladestation an der Fahrstrecke auch bei ungünstigen Witterungsbedingungen (Windstille, Bewölkung) durch die entlang des Abschnitts der Fahrstrecke zwischen zwei Ladestationen erzeugte regenerative Energie abgedeckt werden kann. Wenn bei günstigen Bedingungen mehr Energie erzeugt wird, als die Ladestation benötigt, kann man entweder im Bereich mindestens einer Ladestation mindestens eine Stromspeichereinrichtung vorsehen, die geeignet ist, im System erzeugte überschüssige regenerative elektrische Energie zu speichern. Oder man leitet die überschüssige elektrische Energie an Siedlungen, einzelne Gebäude, industrielle Anlagen, Gewerbegebiete oder dergleichen weiter, die sich in der Nähe der Fahrstrecke und/oder einer der Ladestationen befinden, so dass man diese weiteren Verbraucher in das Leitungsnetz des Systems einbeziehen kann, ohne dass ein zu hoher Aufwand für die Verlegung elektrischer Leitungen über größere Entfernungen besteht. Es genügt vielmehr eine entsprechend ausgelegte Leitung, die von einer der Ladestationen ausgeht oder an geeigneter Stelle von einer Leitung entlang der Fahrstrecke abgezweigt wird. Je nach Entfernung zu diesen weiteren Verbrauchern kann der Strom aus dem Stromleitungsnetz des Systems mit einer Mittelspannung oder auch mit einer Niederspannung zu den weiteren Verbrauchern geleitet werden. Die Errichtung weiterer Hochspannungsleitungen/Hochspannungsmasten und/oder Umspannstationen ist somit nicht erforderlich, um weitere Verbraucher beispielsweise in entlegenen Gebieten über das erfindungsgemäße System zu versorgen. The advantage here is that the system can be designed and laid out in such a way that the energy requirement of a charging station on the route can be covered by the regenerative energy generated along the section of the route between two charging stations, even in unfavorable weather conditions (calm, cloud cover). If, under favorable conditions, more energy is generated than the charging station needs, at least one electricity storage device can be provided in the area of at least one charging station, which is suitable for storing excess regenerative electrical energy generated in the system. Or the excess electrical energy can be passed on to settlements, individual buildings, industrial plants, commercial areas or the like that are located near the route and/or one of the charging stations, so that these additional consumers can be included in the system's network without the expense of laying electrical cables over long distances. Rather, an appropriately designed cable that starts from one of the charging stations or is branched off from a cable along the route at a suitable point is sufficient. Depending on the distance to these other The electricity from the system's power line network can be supplied to other consumers at medium voltage or at low voltage. The construction of additional high-voltage lines/high-voltage pylons and/or transformer stations is therefore not necessary in order to supply additional consumers, for example in remote areas, via the system according to the invention.
Ein solches autarkes Stromleitungsnetz, für welches die Energie regenerativ im System erzeugt wird und die Leistung auf den Bedarf von entlang einer definierten Fahrstrecke des Systems im Bereich einer Ladestation oder außerhalb von dieser vorhandenen Verbrauchern abgestimmt ist, lässt sich viel besser konzipieren, berechnen und auslasten als bei der bisherigen Nutzung des öffentlichen Stromleitungsnetzes, welches viel größere Ausmaße, unzählige Einspeiser von Energie und zahllose Verbraucher mit zeitlich abhängig variablem Energiebedarf aufweist und somit heterogen und unüberschaubar ist. Such a self-sufficient power line network, for which the energy is generated renewably in the system and the output is tailored to the needs of consumers present along a defined route of the system in the area of a charging station or outside of it, can be designed, calculated and utilized much better than with the previous use of the public power line network, which has much larger dimensions, countless energy feeders and countless consumers with energy requirements that vary over time and is therefore heterogeneous and unmanageable.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst das System im Leitungsweg vom Erzeuger zum Verbraucher vor einer Ladestation mindestens einen Transformator oder eine Transformatorstation, mittels dessen (derer) ein Wechselstrom im Mittelspannungsbereich in einen Dreiphasenwechselstrom im Niederspannungsbereich umwandelbar ist. Den Leitungsweg von zumeist einigen Kilometern, beispielsweise 1 km bis 10 km oder 1 km bis 5 km, vom Erzeuger bzw. einer Umspannstation bis zu einer Ladestation kann man somit mit Wechselstrom im Mittelspannungsbereich von beispielsweise 10 kV bis 20 kV zurücklegen, wodurch man die Leitungsverluste verringert, und man sieht dann wenigstens einen Transformator vor, der den Strom wieder in einen Wechselstrom im Niederspannungsbereich umwandelt, so dass der Strom an der Ladestation in dem Niederspannungsbereich von beispielsweise 400 Volt zur Verfügung steht, den dort die Verbraucher benötigen. According to a preferred development of the invention, the system comprises at least one transformer or transformer station in the line path from the generator to the consumer in front of a charging station, by means of which an alternating current in the medium voltage range can be converted into a three-phase alternating current in the low voltage range. The line path of usually several kilometers, for example 1 km to 10 km or 1 km to 5 km, from the generator or a transformer station to a charging station can thus be covered with alternating current in the medium voltage range of, for example, 10 kV to 20 kV, thereby reducing the line losses, and at least one transformer is then provided which converts the current back into an alternating current in the low voltage range, so that the current is available at the charging station in the low voltage range of, for example, 400 volts, which the consumers need there.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst eine Ladestation mindestens eine Ladesäule zur Aufladung von Fahrzeugbatterien, wobei vorzugsweise mindestens ein weiterer Verbraucher, im Bereich der Ladestation oder von der Ladestation entfernt, von dem Stromleitungsnetz, in welches die regenerativ erzeugte Energie eingespeist wird, versorgt wird. Dieser weitere Verbraucher kann beispielsweise eine Tankstelle oder ein Restaurant auf dem Gelände der Ladestation sein oder aber ein oder mehrere externe Verbraucher wie beispielsweise Gebäude, eine Wohnsiedlung oder ein Gewerbegebiet in der Nähe der Ladestation. According to a preferred development of the invention, a charging station comprises at least one charging column for charging vehicle batteries, wherein preferably at least one further consumer, in the area of the charging station or away from the charging station, is supplied by the power line network into which the renewably generated energy is fed. This further consumer can be, for example, a gas station or a restaurant on the premises of the charging station or one or more external consumers such as buildings, a residential area or a commercial area near the charging station.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist im Bereich einer Ladestation, vorzugsweise im Bereich einer zu einer Ladesäule führenden Leitung oder in einer Ladesäule, mindestens ein Gleichrichter vorgesehen, eingerichtet, von dem Stromleitungsnetz gelieferten niederspannungsseitigen Drehstrom in Gleichstrom, geeignet für das Laden von Batterien, umzuwandeln. Man kann dann beispielsweise eine Schnellladesäule zur Verfügung stellen, über die die Batterien der Elektrofahrzeuge direkt mit Gleichstrom aufgeladen werden. Mindestens eine weitere Ladesäule kann beispielsweise als AC-Ladesäule ausgeführt sein, so dass es alternativ auch möglich ist, Fahrzeuge mit Wechselstrom zu laden, welcher dann über ein im Fahrzeug installiertes Gerät in Gleichstrom für die Batterie umgewandelt wird. According to a preferred development of the invention, in the area of a charging station, preferably in the area of a line leading to a charging column or in a Charging station, at least one rectifier is provided, set up to convert low-voltage three-phase current supplied by the power grid into direct current, suitable for charging batteries. For example, a rapid charging station can then be provided, via which the batteries of the electric vehicles are charged directly with direct current. At least one further charging station can, for example, be designed as an AC charging station, so that it is alternatively also possible to charge vehicles with alternating current, which is then converted into direct current for the battery via a device installed in the vehicle.
Gemäß einer alternativen bevorzugten Variante der Erfindung ist im Leistungsfluss vom Erzeuger zum Verbraucher, das heißt im Leistungsfluss von mindestens einer Windkraftanlage oder einer Photovoltaikanlage zu einem Verbraucher im Bereich einer Ladestation mindestens ein Gleichrichter angeordnet, eingerichtet, die von der Kleinwindkraftanlage erzeugte elektrische Energie in einen Gleichstrom in einem technisch sinnvollen Spannungsbereich von insbesondere etwa 800 Volt bis 1200 Volt, beispielsweise etwa 1000 V umzuwandeln, wobei das Stromleitungsnetz im Leistungsfluss vom Erzeuger zum Verbraucher jenseits dieses Gleichrichters bis vorzugsweise zur nächstgelegenen Ladestation ausgelegt ist, Gleichspannung in einem Mittelspannungsbereich zu leiten. Bei dieser Variante kann beispielsweise auch zunächst Gleichstrom von der Windkraftanlage beispielsweise bis zu einem Wechselrichter geleitet werden, an den man vorzugsweise auch die von den Photovoltaikanlagen kommenden Leitungen anschließen kann, wodurch man zunächst niederspannungsseitigen Dreiphasenwechselstrom mit beispielsweise 400 V erhält, den man dann entweder über einen Transformator in einen Strom im Mittelspannungsbereich umwandeln kann, welcher über die Leitungsstrecke bis zur nächsten Ladestation transportiert wird, um Leitungsverluste zu verringern und der dann dort wieder in einen Strom im niederspannungsseitigen Bereich transformiert wird, welcher für die Versorgung der Verbraucher geeignet ist. Oder man verwendet den niederspannungsseitigen Strom direkt, wenn sich entsprechende Verbraucher in der Nähe befinden. According to an alternative preferred variant of the invention, at least one rectifier is arranged in the power flow from the generator to the consumer, that is to say in the power flow from at least one wind turbine or a photovoltaic system to a consumer in the area of a charging station, designed to convert the electrical energy generated by the small wind turbine into a direct current in a technically reasonable voltage range of in particular about 800 volts to 1200 volts, for example about 1000 V, wherein the power line network in the power flow from the generator to the consumer beyond this rectifier to preferably the nearest charging station is designed to conduct direct voltage in a medium voltage range. In this variant, direct current can also be fed from the wind turbine to an inverter, for example, to which the cables coming from the photovoltaic systems can also be connected, which initially produces low-voltage three-phase alternating current of, for example, 400 V, which can then either be converted via a transformer into a medium-voltage current, which is transported via the cable to the next charging station in order to reduce line losses and which is then transformed there again into a low-voltage current that is suitable for supplying the consumers. Or the low-voltage current can be used directly if there are corresponding consumers nearby.
Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Systems zur Erzeugung regenerativer elektrischer Energie und Versorgung einer Mehrzahl von Verbrauchern liegen darin, dass grundsätzlich bei Bedarf weitere periphere Grundstücke, die an die Autobahntrasse angrenzen, als Flächen für die Installation der Anlagen zur Erzeugung regenerativer Energie, mit einbezogen werden können, auch wenn diese Grundstücke nicht im Eigentum des Betreibers der Autobahn sind. Dort könnte man prinzipiell auch größere Windkraftanlagen installieren, die nicht mehr unter die Definition der Kleinwindkraftanlagen (Gesamthöhe bis zu 10 m) fallen und den von diesen erzeugten Strom mit in das Leitungsnetz des erfindungsgemäßen Systems einspeisen. Dies ist vorteilhaft im Vergleich zu der heutigen konventionellen Vorgehensweise, wenn solche an den Fahrweg angrenzenden Grundstücke zumeist bereits gerodet sind und aufgrund der Lärmbelastung sowie anderer Emissionen der Fahrzeuge in der Regel kaum für eine anderweitige Nutzung (Wohnbebauung) in Betracht kommen. Auf diese Weise kann man weitere regenerative Energie erzeugen. Diese Lösung ist unter ökologischen Aspekten wesentlich besser, als beispielsweise Windkraftanlagen in Waldgebieten oder anderen Gebieten mit intakter Natur zu errichten und damit die Tier- und Pflanzenwelt dort zu zerstören oder zu beeinträchtigen, zumal in abgelegenen naturnahen Gebieten in der Regel kein elektrisches Leitungsnetz vorhanden ist und somit Leitungen für einen Anschluss des Energieerzeugers an das öffentliche Leitungsnetz mit viel größerem (Kosten)aufwand verlegt werden müssen. Die an eine Autobahntrasse angrenzenden Grundstücke sind zudem für eine anderweitige Nutzung wenig attraktiv und können daher günstiger erworben werden. Die Fahrstrecke der Autobahn und die anliegenden Grundstücke, auf denen die Erzeuger regenerativer Energie und das Leitungsnetz des erfindungsgemäßen Systems errichtet werden, bilden somit eine Technologietrasse, bei der die Vernichtung intakter Natur auf einen minimalen Flächenbereich beidseitig entlang der Fahrstrecke reduziert werden kann. Further advantages of the system according to the invention for generating renewable electrical energy and supplying a number of consumers are that, if required, additional peripheral properties adjacent to the motorway route can be included as areas for the installation of the systems for generating renewable energy, even if these properties are not owned by the operator of the motorway. In principle, larger wind turbines could also be installed there, which no longer fall under the definition of small wind turbines (total height up to to 10 m) and feed the electricity generated by them into the power grid of the system according to the invention. This is advantageous compared to today's conventional approach, when such properties adjacent to the road have mostly already been cleared and are generally not considered for other uses (residential development) due to the noise pollution and other emissions from the vehicles. In this way, further renewable energy can be generated. From an ecological point of view, this solution is much better than, for example, erecting wind turbines in forest areas or other areas with intact nature and thus destroying or impairing the flora and fauna there, especially since there is usually no electrical power grid in remote, near-natural areas and thus cables for connecting the energy generator to the public power grid have to be laid at much greater expense. The properties adjacent to a motorway route are also not very attractive for other uses and can therefore be purchased more cheaply. The route of the motorway and the adjacent properties on which the renewable energy generators and the pipeline network of the system according to the invention are to be built thus form a technology route in which the destruction of intact nature can be reduced to a minimal area on both sides along the route.
Da das dem System zugehörige Stromleitungsnetz unmittelbar oder so nahe wie möglich entlang der Fahrstrecke einer Autobahn oder Landstraße verlegt wird, steht dort aus regenerativer Energie gewonnener Strom auch für weitere Verbraucher entlang oder auf der Fahrstrecke kostengünstig zur Verfügung, das heißt für Verbraucher, die sich nicht im Bereich einer der Ladestationen befinden, zum Beispiel Leuchten zur Beleuchtung von Schildern, Strom für Sensorik oder Anzeigesysteme. Since the power line network belonging to the system is laid directly or as close as possible along the route of a motorway or country road, electricity generated from renewable energy is also available at low cost to other consumers along or on the route, i.e. for consumers who are not in the area of one of the charging stations, for example lights for illuminating signs, power for sensors or display systems.
Da vorzugsweise die Hauptleitung des erfindungsgemäßen Stromleitungsnetzes von den Erzeugern ausgehend zu den Ladestationen möglichst beidseitig entlang der Autobahn geführt wird, ist zum einen die Stromleitung so kurz wie möglich und es steht außerdem überall Strom zum Beispiel für Informationssysteme zur Verfügung. Bevorzugt sind die regenerativen Erzeuger des Systems in einer Linie entlang der Fahrstrecke angeordnet, ebenso wie die Verbraucher in einer Linie entlang der Fahrstrecke angeordnet sein können und somit verlaufen die Kabel des Stromleitungsnetzes entlang dieser durch die Fahrstrecke vorgegebenen Linie und können so kurz wie möglich ausgeführt werden. Since the main line of the power line network according to the invention is preferably routed from the generators to the charging stations along both sides of the motorway, the power line is as short as possible and power is also available everywhere, for example for information systems. The regenerative generators of the system are preferably arranged in a line along the route, just as the consumers can be arranged in a line along the route, and thus the cables of the power line network run along this line determined by the route and can be made as short as possible.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Gefahr der Sabotage verringert wird, welche in den derzeitigen Krisenzeiten ein ernstzunehmendes Problem darstellt. Beispielsweise sind off-shore-Windkraftanlagen, auf dem Meeresboden verlegte Stromleitungen und über hunderte von Kilometern durch entlegene Gebiete verlegte Überlandleitungen mit Strommasten, wie sie derzeit verwendet werden, anfällig für Sabotage. Leitungen, die entlang eines stark befahrenen Fahrweges insbesondere unterirdisch verlegt sind, sind hier weniger anfällig und lassen sich durch geeignete Einrichtungen besser überwachen, wobei diese Überwachungseinrichtungen wiederum mit regenerativ erzeugter Energie aus dem System versorgt werden können. Another advantage of the invention is that it reduces the risk of sabotage, which is a serious problem in current times of crisis. For example, offshore wind turbines, power lines laid on the seabed and overhead power lines with pylons that run hundreds of kilometers through remote areas, as currently used, are vulnerable to sabotage. Lines that are laid along a busy road, particularly underground, are less vulnerable and can be better monitored by suitable devices, which in turn can be powered by renewably generated energy from the system.
Zusammengefasst stellt die vorliegende Erfindung ein autonomes, in sich geschlossenes System zur Verfügung, welches linear entlang eines Fahrwegs geführt ist und einen minimierten Flächenbedarf aufweist und Komponenten zur Stromgewinnung, Stromleitung, Bereitstellung von Strom umfasst sowie Stromverbraucher in Form elektrisch angetriebener automobiler Fahrzeuge und Komponenten der Infrastruktur entlang des Fahrwegs. Das System ist umweltschonend ausgelegt und unabhängig von fragilen und komplexen Strukturen des allgemeinen Stromnetzes und komprimiert die Komponenten für die elektrische Versorgung der Fahrzeuge und des Fahrwegs auf engem Raum. In summary, the present invention provides an autonomous, self-contained system that is linearly guided along a track and has a minimized space requirement and includes components for generating electricity, conducting electricity, providing electricity, as well as electricity consumers in the form of electrically powered automobiles and components of the infrastructure along the track. The system is designed to be environmentally friendly and independent of fragile and complex structures of the general power grid and compresses the components for the electrical supply of the vehicles and the track into a small space.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst das System wenigstens eine Einrichtung zur elektrolytischen Erzeugung von Wasserstoff mittels im System erzeugter regenerativer elektrischer Energie sowie mindestens eine Einrichtung zur Speicherung von Wasserstoff, beispielsweise einen Wasserstofftank oder einen Metallhybridspeicher. According to a preferred development of the invention, the system comprises at least one device for the electrolytic generation of hydrogen by means of regenerative electrical energy generated in the system and at least one device for storing hydrogen, for example a hydrogen tank or a metal hybrid storage device.
Alternativ kann auch elektrolytisch erzeugter Wasserstoff durch chemische Reaktion in einen anderen Energieträger umgewandelt werden, der sich in flüssiger Form, gegebenenfalls unter Druck oder als Gas beispielsweise in entsprechenden Tanks speichern lässt, wobei hier insbesondere energiereiche Verbindungen wie Methan, LPG, Methanol, Ethanol oder Ammoniak in Betracht kommen. Alternatively, electrolytically produced hydrogen can be converted by chemical reaction into another energy source that can be stored in liquid form, possibly under pressure, or as a gas, for example in appropriate tanks, with energy-rich compounds such as methane, LPG, methanol, ethanol or ammonia being particularly suitable here.
Sofern die Erzeugung von Wasserstoff oder der genannten Energieträger an einer von einer Ladestation entfernten Stelle vorgesehen ist, umfasst das System gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wenigstens eine Rohrleitung für den Transport von Wasserstoff oder des Energieträgers vom Ort der Erzeugung zu einer Ladestation. An der Ladestation können dann über geeignete Betankungseinrichtungen Fahrzeuge mit entsprechend ausgebildeten Antrieben beispielsweise direkt mit Wasserstoff oder dem Energieträger betankt werden. If the production of hydrogen or the energy sources mentioned is planned at a location remote from a charging station, the system according to a preferred development of the invention comprises at least one pipeline for transporting hydrogen or the energy source from the place of production to a charging station. At the charging station, vehicles with appropriately designed drives can then be refueled directly with hydrogen or the energy source, for example, via suitable refueling facilities.
Gemäß einer alternativen Variante der Erfindung, kann auch, wenn beispielsweise überschüssige Energie im System erzeugt wird, in Form von Wasserstoff oder einem der genannten Energieträger gespeicherte Energie beispielsweise im Bereich einer Ladestation wieder in Strom umgewandelt werden, um elektrisch angetriebene Fahrzeuge zu versorgen. Dadurch wird es möglich, mittels der im System erzeugten regenerativen elektrischen Energie sowohl elektrisch angetriebene Fahrzeug als auch Fahrzeuge mit Wasserstofftanks oder Brennstoffzellen zu versorgen ebenso wie Fahrzeuge, die mit Methanol oder Methan betankt werden. According to an alternative variant of the invention, if, for example, excess energy is generated in the system, in the form of hydrogen or one of the The energy stored in the energy sources mentioned can be converted back into electricity, for example in the area of a charging station, in order to supply electrically powered vehicles. This makes it possible to use the regenerative electrical energy generated in the system to supply both electrically powered vehicles and vehicles with hydrogen tanks or fuel cells, as well as vehicles that are fueled with methanol or methane.
Konkrete Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung Concrete embodiments of the present invention
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von konkreten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen: The present invention is explained in more detail below using specific embodiments with reference to the accompanying drawings.
Figur 1 eine schematisch vereinfachte Darstellung einer ersten beispielhaften Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Systems; Figure 1 is a schematically simplified representation of a first exemplary embodiment of a system according to the invention;
Figur 2 eine schematisch vereinfachte Darstellung einer beispielhaften alternativen Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Systems; Figure 2 is a schematically simplified representation of an exemplary alternative embodiment of a system according to the invention;
Figur 3 eine schematisch vereinfachte Darstellung eines Details der Ausführung eines beispielhaften erfindungsgemäßen Systems im Bereich einer Ladestation. Figure 3 is a schematically simplified representation of a detail of the design of an exemplary system according to the invention in the area of a charging station.
Nachfolgend wird zunächst unter Bezugnahme auf die Figur 1 ein erstes mögliches Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Die Figur 1 zeigt eine schematisch vereinfachte Darstellung eines beispielhaften Schaltbilds eines erfindungsgemäßen Systems zur Erzeugung regenerativer Energie. Als Erzeuger regenerativer Energie umfasst das System eine Mehrzahl von Windkraftanlagen 10, 11, von denen hier zwei exemplarisch dargestellt sind. Diese Windkraftanlagen 10 wandeln durch Rotation ihrer von Windkraft angetriebenen Rotoren mechanische Energie in elektrische Energie um, wobei jeweils den Generatoren 12 in der Regel Frequenzumrichter 13 nachgeschaltet sind, welche den erzeugten Strom auf eine netzübliche Frequenz von beispielsweise 50 Hertz umwandeln, so dass über die Leitungen 14, 15 jeweils Dreiphasendrehstrom im Niederspannungsbereich mit beispielsweise 400 V in das Stromleitungsnetz des Systems eingespeist und zu einer Transformatorstation 18 geleitet werden kann. Die Leitungen 14, 15 der einzelnen Windkraftanlagen 10, 11 sind in der Regel jeweils über Schalter 16, 17 im Bereich der Transformatorstation 18 an das Netz angeschlossen, so dass sie jeweils bei Bedarf an regenerativer Energie im System einzeln zugeschaltet oder abgeschaltet werden können. Weiterhin umfasst das erfindungsgemäße System in der Regel eine größere Anzahl von Photovoltaikanlagen 19, 20, 21 mit jeweils mehreren Modulgruppen, von denen drei Photovoltaikanlagen 19, 20, 21 in Figur 1 exemplarisch dargestellt sind. Diese erzeugen zunächst jeweils Gleichstrom zum Beispiel in einem Spannungsbereich von etwa 200 V bis etwa 800 V, welcher über die Leitungen 22, 23, 24 in das erfindungsgemäße Stromleitungssystem eingespeist und zunächst zu einem Wechselrichter 25 geleitet wird, mittels dessen der Gleichstrom in einen Dreiphasendrehstrom im Niederspannungsbereich von beispielsweise etwa 400 Volt umgewandelt wird. Zwischen dem Wechselrichter 25 und der Eingangsseite der Transformatorstation 18 ist ebenfalls in der Regel ein Schalter 26 angeordnet, so dass man den von den Photovoltaikanlagen 19, 20, 21 erzeugten weiteren regenerativen Strom je nach Bedarf dem Stromleitungsnetz zuführen kann oder diese Anlagen auch vom Stromleitungsnetz trennen kann. A first possible embodiment of the present invention is explained in more detail below with reference to Figure 1. Figure 1 shows a simplified schematic representation of an exemplary circuit diagram of a system according to the invention for generating renewable energy. As a generator of renewable energy, the system comprises a plurality of wind turbines 10, 11, two of which are shown here as examples. These wind turbines 10 convert mechanical energy into electrical energy by rotating their rotors driven by wind power, with frequency converters 13 generally connected downstream of the generators 12, which convert the generated electricity to a standard grid frequency of, for example, 50 Hertz, so that three-phase current in the low voltage range of, for example, 400 V can be fed into the power grid of the system via the lines 14, 15 and fed to a transformer station 18. The lines 14, 15 of the individual wind turbines 10, 11 are usually connected to the grid via switches 16, 17 in the area of the transformer station 18, so that they can be individually switched on or off depending on the need for renewable energy in the system. Furthermore, the system according to the invention generally comprises a large number of photovoltaic systems 19, 20, 21, each with several module groups, of which three photovoltaic systems 19, 20, 21 are shown as examples in Figure 1. These initially generate direct current, for example in a voltage range of about 200 V to about 800 V, which is fed into the power line system according to the invention via the lines 22, 23, 24 and initially fed to an inverter 25, by means of which the direct current is converted into a three-phase alternating current in the low voltage range of, for example, about 400 volts. A switch 26 is also generally arranged between the inverter 25 and the input side of the transformer station 18, so that the additional regenerative current generated by the photovoltaic systems 19, 20, 21 can be fed to the power line network as required, or these systems can also be disconnected from the power line network.
Die Transformatorstation 18 oder Umformstation umfasst eine Sammelschiene 27, an die über die Schalter 16, 17 zum einen die Leitungen 14, 15 anschließbar sind, welche den Strom von den Windkraftanlagen 10, 11 zur Transformatorstation 18 leiten. Weiterhin ist der Wechselrichter 25 über die Leitung 28 und den Schalter 26 mit der Sammelschiene 27 verbunden, so dass auch der von den Photovoltaikanlagen 19, 20, 21 erzeugte Strom auf der Niederspannungsseite insbesondere als Dreiphasendrehstrom mit 400 Volt in die Sammelschiene 27 eingespeist werden kann. Die Sammelschiene 27 ist ausgangsseitig über einen Schalter 29 sowie die Leitung 30 mit der Eingangsseite eines Transformators 31 verbunden. Dieser wandelt den niederspannungsseitig eingespeisten Dreiphasendrehstrom beispielsweise in einen Strom mit einer Mittelspannung im Bereich von 10 kV bis 20 kV um, der dann über die Leitung 32 zur nächsten Ladestation 33 geleitet werden kann. The transformer station 18 or conversion station comprises a busbar 27, to which the lines 14, 15, which conduct the current from the wind turbines 10, 11 to the transformer station 18, can be connected via the switches 16, 17. Furthermore, the inverter 25 is connected to the busbar 27 via the line 28 and the switch 26, so that the current generated by the photovoltaic systems 19, 20, 21 on the low-voltage side can also be fed into the busbar 27, in particular as three-phase current with 400 volts. The busbar 27 is connected on the output side via a switch 29 and the line 30 to the input side of a transformer 31. This converts the three-phase current fed in on the low-voltage side, for example, into a current with a medium voltage in the range of 10 kV to 20 kV, which can then be fed to the next charging station 33 via the line 32.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die vereinfachte schematische Darstellung von Figur 2 ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert, wobei in Figur 2 nur ein Teil des erfindungsgemäßen Systems gezeigt ist, welcher sich auf die Ausführung der Windkraftanlagen bezieht. Es sind eine größere Anzahl von Windkraftanlagen 10, 11 vorhanden, von denen beispielhaft nur zwei in Figur 2 eingezeichnet sind. Den Generatoren 12 der Windkraftanlagen 10, 11 sind im Leistungsweg von Erzeuger zum Verbraucher jeweils Gleichrichter 34 nachgeschaltet, über welche ein Gleichstrom in einem mittleren Spannungsbereich von beispielsweise etwa 1000 V oder mehr erzeugt wird, welcher dann über die Leitungen 35 bzw. 36 zu einer Transformatorstation 18 geleitet wird. Zu einem Wechselrichter 25 dieser Transformatorstation 18 wird ebenso der Strom geleitet, welcher von den hier nicht weiter dargestellten Photovoltaikanlagen 19 erzeugt wird. Dieser Gleichstrom aller regenerativer Erzeuger wird über den Wechselrichter 25 zunächst in Dreiphasendrehstrom von beispielsweise 400 Volt umgewandelt und anschließend von dem Transformator 31 in Strom mit einer Mittelspannung im Bereich von beispielsweise 10 bis 20 kV transformiert und so verlustarm über die Leitungsstrecke bis zu der nächsten Ladestation 33 sowie gegebenenfalls weiteren Verbrauchern im Bereich einer Raststätte oder nahegelegenen Gebäuden geleitet. An alternative embodiment of the invention is explained below with reference to the simplified schematic representation of Figure 2, wherein Figure 2 only shows a part of the system according to the invention, which relates to the design of the wind turbines. There are a large number of wind turbines 10, 11, of which only two are shown in Figure 2 as an example. The generators 12 of the wind turbines 10, 11 are each followed by rectifiers 34 in the power path from the generator to the consumer, via which a direct current is generated in a medium voltage range of, for example, about 1000 V or more, which is then fed via the lines 35 and 36 to a transformer station 18. The current generated by the photovoltaic systems 19 (not shown here) is also fed to an inverter 25 of this transformer station 18. This direct current from all regenerative generators is first converted into Three-phase alternating current of, for example, 400 volts is converted and then transformed by the transformer 31 into electricity with a medium voltage in the range of, for example, 10 to 20 kV and thus transmitted with low losses over the line to the next charging station 33 and, if applicable, to other consumers in the area of a rest area or nearby buildings.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figur 3 ein Ausführungsbeispiel für die Konzeption einer Ladestation 33 und Raststätte näher erläutert. Figur 3 zeigt als schematische Skizze beispielhaft einige Verbraucher im Bereich einer Ladestation 33, welche mit regenerativer Energie versorgt wird, welche beispielsweise im System gemäß der Beschreibung der Figuren 1 oder 2 mittels Windkraftanlagen und Photovoltaikanlagen erzeugt wird. Wie dort erläutert wurde, wird bevorzugt der Strom mit einer Mittelspannung im Bereich von beispielsweise 10 kV bis 20 kV von den Erzeugern 10, 11 zu den Ladestationen 33 geleitet. Über die in Figur 1 oben rechts eingezeichnete Ausgangsleitung 32 gelangt der Strom zu einer eingangsseitig der Ladestation 33 vorgeschalteten Sammelschiene 37, an die mehrere dieser 10 kV-Mittelspannungsleitungen 32 angeschlossen werden können. Dies können beispielsweise Leitungen 38 von den Stationen links des Fahrwegs, Leitungen 39 von den Stationen rechts des Fahrwegs sowie gegebenenfalls weitere Leitungen 40 für eine externe Einspeisung von weiterem regenerativ erzeugtem Strom sein. Eine solche externe Einspeisung in das System ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn in der Nähe des Fahrwegs bereits Windkraftanlagen oder Photovoltaikanlagen installiert sind, die vor der Einrichtung des Systems installiert wurden und deren regenerativ erzeugter Strom in das Stromleitungsnetz des Systems einbezogen werden kann. Diese zu der Sammelschiene 37 führenden Leitungen 38, 39 und 40 sind jeweils über Schalter 41, 42, 43 an die Sammelschiene 37 angeschlossen, so dass die einzelnen Leitungen jeweils nach Bedarf an diese angeschlossen oder von dieser getrennt werden können. An exemplary embodiment of the design of a charging station 33 and rest stop is explained in more detail below with reference to Figure 3. Figure 3 shows a schematic sketch of some consumers in the area of a charging station 33, which is supplied with renewable energy, which is generated, for example, in the system according to the description of Figures 1 or 2 using wind turbines and photovoltaic systems. As explained there, the electricity is preferably conducted from the generators 10, 11 to the charging stations 33 at a medium voltage in the range of, for example, 10 kV to 20 kV. The electricity reaches a busbar 37 connected upstream of the charging station 33 on the input side, to which several of these 10 kV medium voltage lines 32 can be connected. These can be, for example, lines 38 from the stations to the left of the track, lines 39 from the stations to the right of the track and, if necessary, further lines 40 for external feeding of additional renewably generated electricity. Such external feeding into the system is useful, for example, if wind turbines or photovoltaic systems are already installed near the track that were installed before the system was set up and whose renewably generated electricity can be included in the system's power line network. These lines 38, 39 and 40 leading to the busbar 37 are each connected to the busbar 37 via switches 41, 42, 43 so that the individual lines can be connected to or disconnected from it as required.
Von der Mittelspannungs-Sammelschiene 37 führt eine über einen Schalter 44 abtrennbare Leitung 45 zunächst zu einem Transformator 46 oder einer Transformatorstation, in der der Strom in einen niederspannungsseitigen Dreiphasendrehstrom mit beispielsweise 400 Volt umgewandelt wird, wobei die niederspannungsseitige Ausgangsleitung 47 wiederum über einen Schalter 49 absperrbar ist und von der Transformatorstation 46 zu einer weiteren niederspannungsseitigen Sammelschiene 48 führt. Über diese Sammelschiene 48 können diverse Verbraucher im Bereich einer Ladestation oder auch in einem nahegelegenen externen Bereich mit Strom versorgt werden. Beispielsweise kann an diese Sammelschiene 48 über einen Schalter 50 trennbar ein Gleichrichter 51 angeschlossen sein, welcher Gleichstrom erzeugt zur Versorgung einer oder mehrerer Batterien 52, so dass regenerativ erzeugter Strom, der nicht unmittelbar verbraucht wird, in den Batterien 52 gespeichert werden kann. Bei Bedarf kann den Batterien 52 gespeicherter Strom entnommen werden und über einen Wechselrichter 53 in Dreiphasendrehstrom mit beispielsweise 400 Volt umgewandelt und über den Schalter 54 der Sammelschiene 48 zugeführt werden. An diese Sammelschiene 48 sind verschiedene Verbraucher angeschlossen, denen der im System erzeugte regenerative Strom zugeführt werden kann. Beispielhaft sind in Figur 3 eine Ladestation 56 und zwei weitere Verbraucher dargestellt, die über die Sammelschiene mit Dreiphasendrehstrom von beispielweise 400 Volt versorgt werden können. Die Leitungen zu den diversen Verbrauchern sind in der Regel über Schalter jeweils vom Stromleitungsnetz des Systems trennbar. Beispielsweise ist über den Schalter 55 eine Ladestation 56 angeschlossen, an der Fahrzeuge ihre Batterien aufladen können. Über eine beliebige Anzahl weiterer Leitungen und jeweils weitere Schalter können weitere Verbraucher Strom von der Sammelschiene beziehen, wobei in Figur 3 aus Gründen der Vereinfachung exemplarisch nur zwei weitere Verbraucher dargestellt sind. Diese erhalten Strom über den Schalter 57 und die Leitung 58 bzw. über den Schalter 59 und die Leitung 60, wobei die Verbraucher jeweils über die Leitungen 58, 60 untereinander und auch zu der Ladestation 56 jeweils parallel an die Sammelschiene 48 angeschlossen sind. Bei den Verbrauchern kann es sich beispielsweise um Einrichtungen im Bereich der Ladestation 56 handeln, wie zum Beispiel eine Tankstelle oder Raststätte oder aber Einrichtungen der Infrastruktur entlang des Fahrwegs der Autobahn wie beispielsweise beleuchtbare Schilder, elektronische Verkehrsleitsysteme oder dergleichen oder aber auch einzelne Gebäude, Siedlungen, Industrieansiedlungen, die sich in der Nähe des Fahrwegs, einer Transformatorstation 46 oder einer Ladestation 56 befinden und so mit vertretbarem Aufwand über das Stromleitungsnetz des erfindungsgemäßen Systems mit regenerativer Energie versorgt werden können. From the medium-voltage busbar 37, a line 45 that can be disconnected via a switch 44 leads first to a transformer 46 or a transformer station, in which the current is converted into a low-voltage three-phase current of, for example, 400 volts, whereby the low-voltage output line 47 can in turn be shut off via a switch 49 and leads from the transformer station 46 to another low-voltage busbar 48. Various consumers in the area of a charging station or in a nearby external area can be supplied with electricity via this busbar 48. For example, a rectifier 51 can be separably connected to this busbar 48 via a switch 50, which generates direct current to supply one or more batteries 52, so that regeneratively generated electricity that is not immediately consumed can be stored in the batteries 52. If necessary, electricity stored in the batteries 52 can be taken and converted via an inverter 53 into three-phase alternating current of, for example, 400 volts and fed to the busbar 48 via the switch 54. Various consumers are connected to this busbar 48, to which the regenerative electricity generated in the system can be fed. As an example, Figure 3 shows a charging station 56 and two further consumers that can be supplied with three-phase alternating current of, for example, 400 volts via the busbar. The lines to the various consumers can usually be separated from the system's power line network via switches. For example, a charging station 56, at which vehicles can charge their batteries, is connected via the switch 55. Additional consumers can draw power from the busbar via any number of additional lines and additional switches, whereby only two additional consumers are shown as examples in Figure 3 for the sake of simplicity. These receive power via switch 57 and line 58 or via switch 59 and line 60, whereby the consumers are each connected to each other via lines 58, 60 and also to the charging station 56 in parallel to the busbar 48. The consumers can be, for example, facilities in the area of the charging station 56, such as a petrol station or rest area, or infrastructure facilities along the highway route, such as illuminated signs, electronic traffic control systems or the like, or even individual buildings, settlements, industrial sites that are located near the route, a transformer station 46 or a charging station 56 and can thus be supplied with renewable energy with reasonable effort via the power line network of the system according to the invention.
Bezugszeichenliste List of reference symbols
10 erste Windkraftanlage 10 first wind turbine
11 weitere Windkraftanlage 11 more wind turbines
12 Generator 12 Generator
13 Frequenzumrichter 13 Frequency converter
14 Leitung Dreiphasendrehstrom14 Three-phase line
15 Leitung Dreiphasendrehstrom15 Three-phase line
16 Schalter 16 switches
17 Schalter 17 switches
18 T ransformatorstation 18 T ransformer station
19 erste Photovoltaikanlage 19 first photovoltaic system
20 zweite Photovoltaikanlage 20 second photovoltaic system
21 dritte Photovoltaikanlage 21 third photovoltaic system
22 Leitung 22 Line
23 Leitung 23 Management
24 Leitung 24 Line
25 Wechselrichter 25 inverters
26 Schalter 26 switches
27 Sammelschiene 27 Busbar
28 Leitung 28 Management
29 Schalter 29 switches
30 Leitung 30 Line
31 T ransformator 31 T ransformer
32 Leitung 32 Line
33 Ladestation 33 Charging station
34 Gleichrichter 34 Rectifier
35 Leitung 35 Line
36 Leitung 36 Line
37 Sammelschiene 37 Busbar
38 Leitung 38 Line
39 Leitung 39 Management
40 Leitung für externe Einspeisung40 Cable for external supply
41 Schalter 41 switches
42 Schalter 42 switches
43 Schalter 44 Schalter 43 switches 44 switches
45 Leitung 45 Line
46 T ransformatorstation 46 T ransformer station
47 Ausgangsleitung 47 Output line
48 niederspannungsseitige Sammelschiene48 low-voltage busbar
49 Schalter 49 switches
50 Schalter 50 switches
51 Gleichrichter 51 Rectifier
52 Batterie 52 Battery
53 Wechselrichter 53 inverters
54 Schalter 54 switches
55 Schalter 55 switches
56 Ladestation 56 Charging station
57 Schalter 57 switches
58 Leitung 58 Management
59 Schalter 59 switches
60 Leitung 60 Line

Claims

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System zur Erzeugung regenerativer elektrischer Energie und Versorgung einer Mehrzahl von Verbrauchern umfassend: eine Mehrzahl von Windkraftanlagen (10, 11) und/oder Photovoltaikanlagen (19, 20, 21) als Erzeuger regenerativer elektrischer Energie, wobei das System eingerichtet ist eine Mehrzahl elektromotorisch oder mit Wasserstoff angetriebener Fahrzeuge als Verbraucher mit elektrischer Energie und/oder Wasserstoff zu versorgen; eine Mehrzahl von Ladestationen (33), die entlang einer von den Fahrzeugen befahrbaren Fahrstrecke jeweils im Abstand zueinander angeordnet sind, wobei die Ladestationen (33) geeignet sind, die Fahrzeuge mit elektrischer Energie und/oder mit Wasserstoff zu versorgen, wobei das System weiterhin ein autarkes Stromleitungsnetz umfasst, welches mit den Ladestationen (33) elektrisch verbunden ist, und welches, ggf. ausschließlich, mit der von den Windkraftanlagen (10, 11) und/oder Photovoltaikanlagen erzeugten regenerativen elektrischen Energie gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, dass das erfindungsgemäße System weiterhin mindestens eine Transformatorstation (18) oder mindestens einen Transformator (31) umfasst, wobei das System eingerichtet ist, den von mindestens einer Photovoltaikanlage (20, 21) erzeugten Gleichstrom und/oder den von mindestens einer Windkraftanlage erzeugten Gleichstrom oder Wechselstrom in einen Dreiphasenwechselstrom im Mittelspannungsbereich umzuwandeln und in dem autarken Stromleitungsnetz über eine längere Entfernung von jenseits des mindestens einen Transformators (31) oder der mindestens einen Transformatorstation (18) bis zu einer Ladestation (33, 56) als Strom im Mittelspannungsbereich zu leiten. System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Photovoltaikanlagen und/oder Windkraftanlagen (10, 11), die mit dem autarken Stromleitungsnetz des Systems verbunden sind, in der Nähe der Fahrstrecke, insbesondere in Reihen auf einem Randstreifen neben einer Fahrbahn und/oder auf dem Mittelstreifen zwischen zwei Fahrbahnen installiert sind. System nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Ladestation (33, 56) im Bereich mindestens einer an der Fahrstrecke angeordneten Raststätte oder eines Parkplatzes angeordnet ist. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im
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System for generating renewable electrical energy and supplying a plurality of consumers, comprising: a plurality of wind turbines (10, 11) and/or photovoltaic systems (19, 20, 21) as generators of renewable electrical energy, wherein the system is designed to supply a plurality of electric motor- or hydrogen-powered vehicles as consumers with electrical energy and/or hydrogen; a plurality of charging stations (33) which are arranged at a distance from one another along a route that can be traveled by the vehicles, the charging stations (33) being suitable for supplying the vehicles with electrical energy and/or with hydrogen, the system further comprising a self-sufficient power line network which is electrically connected to the charging stations (33) and which is fed, if necessary exclusively, with the regenerative electrical energy generated by the wind turbines (10, 11) and/or photovoltaic systems, characterized in that the system according to the invention further comprises at least one transformer station (18) or at least one transformer (31), the system being set up to convert the direct current generated by at least one photovoltaic system (20, 21) and/or the direct current or alternating current generated by at least one wind turbine into a three-phase alternating current in the medium voltage range and to transmit it in the self-sufficient power line network over a longer distance from beyond the at least one transformer (31) or the at least one transformer station (18) to a charging station (33, 56) as electricity in the medium voltage range. System according to claim 1, characterized in that photovoltaic systems and/or wind power plants (10, 11) which are connected to the autonomous power line network of the system are installed near the route, in particular in rows on a shoulder next to a roadway and/or on the central reservation between two roadways. System according to one of claims 1 or 2, characterized in that at least one charging station (33, 56) is arranged in the area of at least one rest area or parking lot arranged on the route. System according to one of claims 1 to 3, characterized in that in the
Bereich mindestens einer Ladestation (33, 56) mindestens eineArea of at least one charging station (33, 56) at least one
Stromspeichereinrichtung (52) vorgesehen ist, geeignet, im System erzeugte überschüssige regenerative elektrische Energie zu speichern. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Leistungsweg vom Erzeuger zum Verbraucher vor einer Ladestation (33, 56) mindestens ein Transformator (46) oder eine Transformatorstation angeordnet ist, mittels dessen (derer) ein Wechselstrom im Mittelspannungsbereich in einen Dreiphasenwechselstrom im Niederspannungsbereich umwandelbar ist. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ladestation (33, 56) mindestens eine Ladesäule zur Aufladung von Fahrzeugbatterien umfasst, wobei vorzugsweise mindestens ein weiterer Verbraucher, im Bereich der Ladestation (33, 56) oder von der Ladestation entfernt, von dem Stromleitungsnetz, in welches die regenerativ erzeugte Energie eingespeist wird, versorgt wird. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich einer Ladestation (33, 56), vorzugsweise im Bereich einer zu einer Ladesäule führenden Leitung oder in einer Ladesäule, mindestens ein Gleichrichter (51) vorgesehen ist, eingerichtet, von dem Stromleitungsnetz gelieferten Wechselstrom, vorzugsweise Wechselstrom im Niederspannungsbereich, in Gleichstrom, geeignet für das Laden von Batterien, umzuwandeln. System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Leistungsweg vom Erzeuger, insbesondere von mindestens einer Windkraftanlage (10, 11), zum Verbraucher, mindestens ein Gleichrichter (34) angeordnet ist, eingerichtet, die von der Windkraftanlage (10, 11) erzeugte elektrische Energie in einen Gleichstrom im Mittelspannungsbereich, vorzugsweise in einem Spannungsbereich von wenigstens etwa 800 V bis 1200 V, insbesondere mindestens etwa 1000 V umzuwandeln, wobei das Stromleitungsnetz im Leistungsweg vom Erzeuger zum Verbraucher jenseits dieses Gleichrichters (34) bis vorzugsweise zur nächstgelegenen Ladestation (33) ausgelegt ist, Gleichspannung in diesem Mittelspannungsbereich zu leiten. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses wenigstens eine Einrichtung zur elektrolytischen Erzeugung von Wasserstoff mittels im System erzeugter regenerativer elektrischer Energie umfasst sowie mindestens eine Einrichtung zur Speicherung von Wasserstoff, beispielsweise einen Wasserstofftank oder einen Metallhybridspeicher. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Mittel zur Umwandlung elektrolytisch erzeugten Wasserstoffs durch chemische Reaktion in einen anderen Energieträger umfasst sowie mindestens eine Einrichtung zur Speicherung dieses anderen Energieträgers in flüssiger Form, gegebenenfalls unter Druck oder als Gas, wobei die Einrichtung zur Speicherung insbesondere mindestens einen Tank umfasst und als anderer Energieträger insbesondere eine oder mehrere energiereiche Verbindungen aus der Gruppe umfassend Methan, LPG, Methanol, Ethanol oder Ammoniak vorgesehen ist. System nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass dieses wenigstens eine Rohrleitung für den Transport von Wasserstoff oder des Energieträgers vom Ort der Erzeugung zu einer Ladestation umfasst und die Ladestation geeignete Einrichtungen aufweist, um Fahrzeuge mit entsprechend ausgebildeten Antrieben direkt mit Wasserstoff oder dem Energieträger zu betanken. System nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass dieses mindestens eine geeignete, im Bereich einer Ladestation vorgesehene Einrichtung umfasst, um im Falle der Erzeugung überschüssiger Energie im System, in Form von Wasserstoff oder einem der anderen Energieträger gespeicherte Energie über die Einrichtung wieder in Strom umzuwandeln, geeignet, elektrisch angetriebene Fahrzeuge mit Strom zu versorgen. Power storage device (52) is provided, suitable for storing excess regenerative electrical energy generated in the system. System according to one of claims 1 to 4, characterized in that in the power path from the generator to the consumer, at least one transformer (46) or a transformer station is arranged in front of a charging station (33, 56), by means of which an alternating current in the medium voltage range can be converted into a three-phase alternating current in the low voltage range. System according to one of claims 1 to 5, characterized in that a charging station (33, 56) comprises at least one charging column for charging vehicle batteries, wherein preferably at least one further consumer, in the area of the charging station (33, 56) or away from the charging station, is supplied by the power line network into which the regeneratively generated energy is fed. System according to one of claims 1 to 6, characterized in that in the area of a charging station (33, 56), preferably in the area of a line leading to a charging column or in a charging column, at least one rectifier (51) is provided, designed to convert alternating current supplied by the power line network, preferably alternating current in the low voltage range, into direct current suitable for charging batteries. System according to one of claims 1 to 7, characterized in that in the power path from the generator, in particular from at least one wind turbine (10, 11), to the consumer, at least one rectifier (34) is arranged, set up to convert the electrical energy generated by the wind turbine (10, 11) into a direct current in the medium voltage range, preferably in a voltage range of at least about 800 V to 1200 V, in particular at least about 1000 V, wherein the power line network in the power path from the generator to the consumer beyond this rectifier (34) up to preferably the nearest charging station (33) is designed to conduct direct voltage in this medium voltage range. System according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises at least one device for the electrolytic production of hydrogen by means of regenerative electrical energy generated in the system and at least one device for storing hydrogen, for example a hydrogen tank or a metal hybrid storage device. System according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises means for converting electrolytically generated hydrogen into another energy source by chemical reaction and at least one device for storing this other energy source in liquid form, optionally under pressure or as a gas, wherein the storage device in particular comprises at least one tank and the other energy source is in particular one or more energy-rich compounds from the group comprising methane, LPG, methanol, ethanol or ammonia. System according to one of claims 9 or 10, characterized in that it comprises at least one pipeline for transporting hydrogen or the energy source from the place of production to a charging station and the charging station has suitable devices for directly refueling vehicles with correspondingly designed drives with hydrogen or the energy source. System according to one of claims 9 to 11, characterized in that it comprises at least one suitable device provided in the area of a charging station in order to convert energy stored in the form of hydrogen or one of the other energy sources back into electricity via the device in the event of excess energy being generated in the system, suitable for supplying electrically powered vehicles with electricity.
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