Verfahren und Vorrichtung zur Zwischenspeicherung von aus Windkraft erzeugter elektrischer Windenergie

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zwischenspeicherung von elektrischer Energie. Dabei wird die elektrische Energie durch mindestens eine Windkraftanlage erzeugt. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Zwischenspeicherung von elektrischer Energie, die aus Windkraft erzeugt wird.

Die Windenergie ist gekennzeichnet durch stark wetter- und daher nicht bedarfsabhängige Erzeugung. Dabei ist die Windenergie durch folgende Probleme gekennzeichnet: zum einen starke Fluktuation der Windleistung mit hohen Spitzen und Dellen, zum anderen treten mehrtägige Flauten auf. Ein weiteres Problem stellen die großen Gradienten für die Zu- und die Abnahme der Windleistung innerhalb weniger Stunden dar. Auftretende starke Stürme können weiterhin zu einer kompletten Abschaltung der Windkraftanlagen führen, da diese ansonsten zu einer Beschädigung der Kraftwerke führen kann. Die stark fluktuierende, stochastische Stromerzeugung aus der Windenergie, die keine Korrelation zum Strombedarf aufweist, erfordert einen erheblichen Bedarf an Regelenergie, um jederzeit den exakten Ausgleich zwischen Stromerzeugung und - verbrauch gewährleisten zu können. Ein Problem ist hier daher die Speicherung von Überschuss-Energie bei starkem Windaufkommen und Schwachlastzeiten sowie die Bereitstellung der benötigten Leistung bei Windflauten bzw. schwachen Windaufkommen und Starklast des elektrischen Netzes.

Eine Möglichkeit der Speicherung sind Druckluft-Gasturbinen- Kraftwerke. Druckluft-Gasturbinen-Kraftwerke (CAES= Compressed Air Energy Storage) ermöglichen die Absorption von Überschuss-Energie in Zeiten starken Windaufkommens bei gleichzeitig geringer Netzlast und die zeitversetzte Erzeugung bei hoher Nachfrage. Diese bestehen aus ND (Niederdruck)- oder HD (Hochdruck) Kompressoren, einem

Generator, einer Gasturbine und einem zumeist unterirdischen Druckluftspeicher. In Schwachlastzeiten arbeitet der Generator im Motorbetrieb und Kompressoren fördern die Luft in den Druckluftspeicher. Die gespeicherte Luft wird in Zeiten hoher Nachfrage der Gasturbinenbrennkammer zugeführt. Der Nachteil solcher Anlagen liegt in den erforderlichen geologischen Bedingungen, da aufgrund des benötigten großen Speichervolumen als Druckluft-Speicher bisher nur Hohlräume mit passendem geologischen Untergrund geeignet sind: Salzkavernen, Aquifer-Strukturen oder aufgelassene Bergwerke. Das Problem der Erzeugerseite verlagert sich daher auf die Speicherseite um große anfallende Leistungsspitzen aufzunehmen und bei Leistungsdefiziten abzugeben.

Eine weitere Möglichkeit stellen Pumpspeicher-Wasser-Kraft werke dar, bei dem Wasser mit Hilfe der Überschuss-Energie aus dem unteren in das obere Becken gepumpt und beim Leistungsdefizit wieder zur Stromerzeugung verwendet wird. Nachteilig an dieser Methode sind die erheblichen Kosten für die Erstellung von Stau- und Auffangbecken, und der immense Eingriff in die Natur. Auch hier verlagert sich das Problem von der Erzeugerseite auf die Speicherseite.

Die Speichernutzung, die bei diesen beiden Methoden realistisch ist, erstreckt sich jedoch nur über einen Bereich von mehreren Stunden. Längere Windflauten (mehrere Tage) sind dadurch jedoch kaum zu kompensieren.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Angabe eines verbesserten Verfahrens zur möglichst vollständigen Aufnahme der erzeugten Windenergie bei einer garantierten Strom-Abgabe bei beispielsweise mehrtägigen Flauten sowie einer effizienteren Zwischenspeicherung der anfallenden Überschuss-Energie. Eine weitere Aufgabe ist die Angabe einer verbesserten Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens, zur möglichst vollständigen Aufnahme der erzeugten Windenergie bei einer garantierten Strom-Abgabe und

effizienteren Zwischenspeicherung der anfallenden Überschuss- Energie .

Die auf das Verfahren bezogene Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Zwischenspeicherung von aus Windkraft erzeugter elektrischer Windenergie bei dem durch Windkraft elektrische Windenergie erzeugt wird, wobei die elektrische Windenergie bedarfsweise in das elektrische Netz eingespeist wird und aus der elektrischen Windenergie bedarfsweise Wasserstoff erzeugt wird, wobei der erzeugte Wasserstoff gespeichert wird und wobei der gespeicherte Wasserstoff bedarfsweise zur elektrischen Energieerzeugung genutzt wird.

Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass das

Problem der Zwischenspeicherung der elektrischen Windenergie einer weitgehend vollständigen und vor allem effizienten sowie kostengünstigen Aufnahme der erzeugten Energie entgegentritt. Die Zwischenspeicherung muss daher nicht generell sondern nur bei Bedarf erfolgen. Daher ist bei der

Erfindung eine direkte Einspeisung der erzeugten elektrischen Windenergie bedarfsweise, d.h. bei Bedarf an elektrischer Netzenergie, vorgesehen. Bei beispielsweise hohem Bedarf an elektrischer Netzenergie oder beispielsweise geringer elektrischer Windkraftproduktion kann daher die gesamte erzeugte Windkraftproduktion direkt in das Netz eingespeist werden. Die erzeugte Windenergie kann so jederzeit bei Bedarf an elektrischer Netzenergie z.B. bei Spitzenlast sofort bereit stehen und somit andere Kraftwerke entlasten. Die erzeugte Energie wird dadurch effizient und frei von

Umwandlungsverlusten verwendet. Bedarfsweise, das heißt wenn zu einem Zeitpunkt mehr Windenergie erzeugt als zu diesem Zeitpunkt für die Einspeisung in das elektrische Netz vorgesehen ist (Überschuss-Energie) , wird aus der elektrischen Windenergie Wasserstoff erzeugt. Dabei kann die gesamte erzeugte elektrische Windenergie für die Wasserstoffproduktion als auch nur ein Teil der Energie für die Wasserstoffproduktion genutzt werden. Der Wasserstoff

wird gespeichert. Durch diese Speicherung ist die Windkraftproduktion auch in Zeiten hohen Windaufkommens und geringer Netznachfrage gesichert. Bei wiederum hohem Bedarf an elektrischer Netzenergie wird der gespeicherte Wasserstoff zur Erhöhung der elektrischen Energieerzeugung insbesondere in konventionellen Kraftwerken genutzt. Dies kann beispielsweise bei zu geringer Windenergieproduktion z.B. einer Windflaute und zugleich hoher Netzlast der Fall sein. Dadurch ist auch in Zeiten mehrtägiger Windflaute sowie kompletter, abrupter Ausfall durch beispielsweise Abschalten eines ganzen Windparks bei Sturm eine garantierte Stromabgabe sichergestellt. Die Nutzung des gespeicherten Wasserstoffs in konventionellen Kraftwerken erlaubt eine der Netzlast gerechte Bereitstellung der Leistung.

Durch die Möglichkeit die elektrische Windenergie direkt in das Netz einzuspeisen als auch die Möglichkeit der Umwandlung der elektrischen Windenergie in den Wasserstoff wird daher einerseits eine Zwischenspeicherung vermieden, andererseits jedoch eine möglichst weitgehende vollständige Aufnahme der erzeugten Windenergie beispielsweise bei Überschuss-Energie gewährleistet. Zudem gewährleistet die Speicherung die ausreichende Leistungsreserve im Netz bei Windflauten bzw. geringen Windkraftaufkommen und Starklast.

Vorteilhafterweise wird die elektrische Windenergie durch eine oder mehrere Windkraftanlagen (Windparks) erzeugt. Durch Windkraftanlagen lässt sich Windenergie effizient in elektrische Energie umsetzten. Diese können beispielsweise Off-Shore Parks sein die untereinander gekoppelt sind. Die Kopplung mehrerer Anlagen erlaubt eine effizientere Ausnutzung der Zwischenspeicher sowie des gemeinsamen Transportes der elektrischen Energie.

Vorteilhafterweise wird das Verfahren zur Bereitstellung der Regelenergie verwendet. Bei diesem Verfahren ist durch die gleichzeitige Netzanbindung und Speicherung sowohl eine positive als auch eine negative Regelleistung möglich.

Bevorzugt wird bei dem Verfahren der erzeugte Wasserstoff ganz oder teilweise verflüssig. Der verflüssigte Wasserstoff kann weiterhin direkt an der Anlage produziert und anschließend weitergeleitet werden. Der verflüssigte Wasserstoff der Off-Shore Anlage kann abschließend beispielsweise per Schiff weiter transportiert werden.

Vorteilhafterweise wird aus der elektrischen Windenergie Sauerstoff erzeugt. Diese wird durch ein chemisches

Verfahren, beispielsweise der Elektrolyse gewonnen und kann anschließend zur Energieerzeugung in Verbindung mit Wasserstoff verwendet werden.

Bevorzugt wird der Wasserstoff in einem Verbrennungsprozess umgesetzt. Bei einem solchen Verbrennungsprozess werden beispielsweise heiße Gase erzeugt. Dabei wird zu einem geeigneten Gemisch der gespeicherte Wasserstoff hinzugefügt, und anschließend verbrannt.

Bevorzugt wird zudem Sauerstoff in dem Verbrennungsprozess umgesetzt. Hierdurch wird eine wesentliche Reduzierung der entstehenden Emissionen, insbesondere NOx-Emissionen, erreicht .

Bevorzugt wird der Verbrennungsprozess in einem konventionellen Kraftwerk umgesetzt. Die bei dem Verbrennungsprozess entstehenden heißen Gase werden zur Stromerzeugung durch beispielsweise das Antreiben einer Turbine verwendet.

Die auf die Vorrichtung bezogene Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur Zwischenspeicherung von aus Windkraft erzeugter elektrischer Windenergie mit mindestens einer Windkraftanlage, wobei die Windkraftanlage für die

Einspeisung in das elektrische Netz vorgesehen ist, wobei die Windkraftanlage mit einer Elektrolysevorrichtung verbunden

ist, und wobei die Elektrolysevorrichtung mit einer Speichervorrichtung für Wasserstoff verbunden ist. Die Vorrichtung ist insbesondere dafür geeignet dass oben beschriebene Verfahren durchzuführen. Die Vorteile des Verfahrens ergeben sich daher auch für die Vorrichtung.

In vorteilhafter Ausgestaltung ist zwischen der Windkraftanlage und der Elektrolysevorrichtung ein Stromrichter. Dieser ist für die spätere Elektrolyse notwendig.

Bevorzugt ist die Elektrolysevorrichtung zur Erzeugung von Wasserstoff ausgelegt. Der so erzeugte Wasserstoff wird anschließend gespeichert und dient als Sekundärenergieträger.

Vorteilhafterweise ist die Elektrolysevorrichtung zur Erzeugung von Sauerstoff ausgelegt. Der Sauerstoff wird gespeichert und kann in einem anschließenden Verbrennungsprozess zur Energieerzeugung verwendet werden.

Bevorzugt ist eine Vorrichtung zum Verflüssigen des erzeugten Wasserstoffs vorgesehen. Dies ist vorteilhaft da der verflüssigte Wasserstoff beispielsweise per Schiff oder Rohleitung transportiert werden kann.

Vorteilhafterweise ist die WasserstoffSpeichervorrichtung mit einem konventionellen Kraftwerk verbunden. In dem konventionellen Kraftwerk kann der Wasserstoff und der Sauerstoff zur Energieerzeugung verwendet werden.

In vorteilhafter Ausgestaltung ist das konventionelle Kraftwerk ein Gas, Dampf oder Gas und Dampfkraftwerk. Hier wird der erzeugte Wasserstoff zur Verstromung verwendet.

Bevorzugt ist mindestens eine Windekraftanlage eine Off-Shore Windkraftanlage. Off-Shore Anlagen eignen sich besonders gut zur Windenergieerzeugung aufgrund der günstigeren und stabileren Windverhältnisse. Weiterhin können hier große

Windparks mit mehreren Windkraftanlagen (Windparks) gebaut werden.

Bevorzugt erfolgt die Wasserstofferzeugung und Speicherung am Land. Mittels Rohleitungen kann der Wasserstoff direkt den konventionellen Kraftwerken in Netzverbraucherzentren zugeführt werden. Dadurch wird eine problematische Verladung des Wasserstoffs direkt an den Anlagen beispielsweise bei starkem Seegang vermieden.

Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft anhand einer Zeichnung näher erläutert.

Darin zeigt in vereinfachter und nicht maßstäblicher Dar- Stellung:

FIG 1 ein Verfahren zur Zwischenspeicherung von aus Windkraft erzeugter elektrischer Windenergie,

FIG 2 in weiterer Ausgestaltung ein Verfahren zur

Zwischenspeicherung von aus Windkraft erzeugter elektrischer Windenergie,

FIG 3 in weiterer Ausgestaltung ein Verfahren zur Zwischenspeicherung von aus Windkraft erzeugter elektrischer Windenergie, und

FIG 4 eine Vorrichtung zur Zwischenspeicherung von aus

Windkraft erzeugter elektrischer Windenergie.

Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszei ^¬ chen versehen.

In FIG 1 wird elektrische Energie mittels einer Off-Shore Windkraftanlage 1 dargestellt. Die elektrische Energie wird über ein Seekabel 2 an Land transportiert. Dort wird sie mittels eines Umspannwerks 3 direkt in das elektrische Netz 4 eingespeist. Bei Überschuss-Energie wird die elektrische

Windenergie mittels eines Stromrichters 5 in eine Elektrolysevorrichtung 6 eingespeist. Mit Hilfe dieser Elektrolysevorrichtung 6 wird Wasserstoff H ₂ erzeugt. Dieser wird durch eine Pumpvorrichtung 7 in einen H ₂ -Speicher 8 gepumpt. Anschließend wird bedarfsweise beispielsweise bei mehrtätigen Flauten der Wasserstoff mittels einer Pipeline 9 in einem konventionellen Kraftwerk 10, beispielsweise einem Gas- 31 oder/und Dampf-32, oder/und Gas- und Dampfkraftwerk 33 (FIG 4) zur Energieerzeugung verwendet. Diese wird in das elektrische Netz 4 eingespeist. Somit wird die elektrische Windenergie weitgehend vollständig aufgenommen. Durch die Möglichkeit der direkten Netzeinspeisung und der Möglichkeit die Windenergie in den Sekundärenergieträger Wasserstoff umzuwandeln steht einerseits die elektrische Windenergie sofort bei Bedarf z.B. Spitzenlast zur Verfügung, andererseits ist eine weitgehend vollständige Aufnahme der elektrischen Windkraftproduktion sichergestellt.

FIG 2 zeigt eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens zur Zwischenspeicherung von aus Windkraft erzeugter elektrischer Windenergie bei einer Off-Shore Windkraftanlage 1. Dabei wird die elektrische Energie ebenfalls über ein Seekabel 2 und ein Umspannwerk 3 in das elektrische Netz 4 eingespeist. Bei Überschuss-Energie wird die elektrische Windenergie nun direkt an den Anlagen 1 mittels eines Stromrichters 5 in eine Elektrolysevorrichtung 6 eingespeist. Diese erzeugt nun Wasserstoff H ₂ . Anschließend kann der Wasserstoff H ₂ oder ein Teil des Wasserstoffs H ₂ durch eine Wasserstoff (H ₂ )- Verflüssigungsanlage 20 in flüssigen Wasserstoff LH ₂ umgewandelt werden. Wird der Wasserstoff H ₂ nur teilweise verflüssigt so wird der übrige Wasserstoff H ₂ mittels einer Pumpvorrichtung 7 und einer Pipeline 9 in einen H ₂ -Speicher 8 gepumpt. Der flüssige Wasserstoff LH ₂ kann beispielsweise per Schiff 21 oder einer Rohrleitung (nicht gezeigt) zu einer Ausdampfvorrichtung 22 zur H ₂ Ausdampfung transportiert werden, wo er wieder in Wasserstoff H ₂ umgewandelt wird. Bei einer vollständigen Umwandlung in flüssigen Wasserstoff kann dies jedoch entfallen. Besonders bei kleinen Windkraftparks,

das heißt Windparks mit einer geringen Anzahl von Windkraftanlagen 1 ist eine Wasserstoffverschiffung von Vorteil, da auf ein Seekabel 2 verzichten werden kann. Anschließend wird der Wasserstoff H ₂ bedarfsweise mittels einer Pipeline 9 in einem konventionellen Kraftwerk 10 zur

Energieerzeugung verwendet, welche anschließend direkt in das elektrische Netz 4 eingespeist wird. Durch die Möglichkeit die elektrische Windenergie direkt bei den Off-Shore Anlagen 1 in flüssigem Wasserstoff umzuwandeln und anschließend per Schiff 21 zu verschiffen ist die Aufnahme der elektrischen Windenergie beispielsweise bei Beschädigung des Seekabels 2 sichergestellt .

FIG 3 zeigt ebenfalls eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens zur Zwischenspeicherung von aus Windkraft erzeugter elektrischer Windenergie bei einer Off-Shore Windkraftanlage 1. Die elektrische Windenergie wird einerseits über ein Seekabel 2 transportiert und mittels eines Umspannwerks 5 in das elektrische Netz 4 eingespeist. Bei Überschuss-Energie wird die elektrische Windenergie über einen Stromrichter 5 in einer Elektrolysevorrichtung 6 eingespeist. Diese erzeugt sowohl Sauerstoff O als auch Wasserstoff H ₂ . Über Pumpvorrichtungen 7,7a werden der Sauerstoff O und der Wasserstoff H ₂ in WasserstoffSpeicher 8 und SauerstoffSpeicher 8a transportiert. Anschließend gelangen der Wasserstoff und der Sauerstoff über Pipelines 9,9a in ein konventionelles Kraftwerk 10. Dort wird je nach benötigtem Wasserstoff bzw. Sauerstoff Anteil der Wasserstoff bzw. Sauerstoff zur Energieerzeugung beispielsweise durch Verbrennung genutzt. Die Energie wird direkt in das elektrische Netz 4 eingespeist. Da bei der Elektrolyse ebenfalls Sauerstoff erzeugt wird, kann dieses der Verbrennung ans Verbrennungsgas zur Verfügung stehen und trägt somit direkt zum Verbrennungsprozess bei. Dadurch lässt sich eine emissionsärmere Verbrennung erzielen.

FIG 4 zeigt als Stromerzeugungseinheit eine Off-Shore Windkraftanlage 1. Diese ist mit einem Seekabel 2 über ein

Umspannwerk 3 an das elektrische Netz 4 angebunden. Weiterhin ist die Off-Shore Anlage 1 über einen Stromrichter 5 mit einem zumindest einem Wasserstofferzeuger oder einem Wasser- und Sauerstofferzeuger, beispielsweise einer Elektrolysevorrichtung 6 über eine Pipeline 9 verbunden. Die Elektrolysevorrichtung 6 ist anschließend mit einem Speicher 8 für Wasserstoff oder mehreren Speichern 8 für Wasserstoff und Sauerstoff über eine Pipeline 9 verbunden. Die Speicher 8 sind weiterhin mit einem oder mehreren Kraftwerken 10 verbunden. Dies können beispielsweise Gas- 30, Dampf- 31 oder Gas- und Dampfkraftwerke 32 sein, welche wiederum an das elektrischen Netz 4 angeschlossen sind.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich bei dem im Stand der Technik angegeben Lösungen das Problem der Erzeugerseite (fluktuierende Windenergieerzeugung) auf die Speicherseite (großes Speichervolumen) verlagert. Dies wird nun mit Hilfe der Erfindung vermieden, indem die Möglichkeit der Einspeisung der erzeugten Energie in das elektrische Netz gegeben ist. Gleichzeitig löst die Erfindung auch das Problem der fluktuierenden Windenergieerzeugung durch die bedarfsweise Umwandlung in den Sekundärenergieträger Wasserstoff, wodurch die weitgehend wollständige Aufnahme der Windenergieproduktion sichergestellt ist. Dieser wird anschließend bei elektrischem Netzenergiebedarf zur Erhöhung der Energieproduktion in einem konventionellen Kraftwerk verwendet, wodurch eine garantierte Stromabgabe gewährleistet ist.