Li-Tec Battery GmbH

Windkraftanlage mit Batterieanordnung

B e s c h r e i b u n g

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Windkraftanlage, insbesondere eine Windkraftanlage zur Nutzung an oder in einem Gewässer. Derartige Windkraftanlagen finden Anwendung in sogenannten Off-shore Anlagen, welche sich auf dem offenen Meer befinden. Ein direkter Landzugang ist in der Regel nicht vorhanden. Insbesondere bei einem Einsatz derartiger Windkraftanlagen auf dem Meer stellen die Umwelteinflüsse, insbesondere bedingt durch das Salzwasser, große Herausforderungen an die Gestaltung derartiger Windkraftanlagen. Ferner erfordert der Abtransport von erzeugter elektrischer Energie hin zu Verbrauchern besondere Aufmerksamkeit.

Derartige Windkraftanlagen können aber auch in der Nähe von oder an Binnengewässern, insbesondere großen Seen, Anwendung finden, da auch dort starke Winde auftreten können.

Regenerative Energien, wie beispielsweise die Windenergie oder die Solarenergie, weisen den Nachteil der schwankenden Leistungsabgabe auf. Bei entsprechenden Witterungsbedingungen können Windkraftanlagen oder Solar- stromanlagen eine hohe Leistung abgeben, während bei entsprechender Änderung der Witterungslage die Leistungsabgabe innerhalb kurzer Zeit auf einen sehr geringeren Wert absinken kann. Derartige Schwankungen machen es notwendig, elektrische Energie, welche bei günstigen Witterungsbedingungen - -

erzeugt wird, zu speichern. Wenn die Windkraftanlagen oder die Solaranlagen wenig Leistung zur Verfügung stellen, kann die gespeicherte Energie die verminderte Leistungsabgabe ausgleichen. Die DE 202 06 234 U1 zeigt eine schwimmfähige Windkraftanlage. Diese hat einen Auftriebskörper, der auf einer Wasseroberfläche schwimmt. Die schwimmfähige Windkraftanlage kann im küstennahen Bereich verankert werden. In dem Bereich von Auftriebskörpern kann eine Pufferbatterie für den Notstrom untergebracht sein.

Die DE 197 14 512 C2 zeigt eine maritime Kraftwerksanlage mit einem Her- stellungsprozess zur Gewinnung, Speicherung und zum Verbrauch von regenerativer Energie. Es ist eine schwimmende Trägerstruktur vorgesehen, auf der mehrere Windenergiekonverter angeordnet sind.

Die DE 20 2009 006 647 U1 zeigt einen Energieturm, an dem eine Akkubank zur Strompufferung angeschlossen ist. An diesem Energieturm können beispielsweise Elektrofahrzeuge betankt werden. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Windkraftanlage bereitzustellen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird gelöst durch eine Windkraftanlage, insbesondere zur Nutzung an oder in einem Gewässer, mit einem Windrad, einem Generator, der in Antriebsverbindung mit dem Windrad bringbar ist, und einer Batterieanordnung mit zumindest einer elektrochemischen Zelle.

Unter einer Windkraftanlage ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Einrichtung zu verstehen, die die kinetische Energie des Windes in elektrische Energie umwandeln kann. Unter elektrischer Energie ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung dabei auch in chemischer Form gespeicherte elektrische Energie gemeint. Die kinetische Energie wird dabei insbesondere unter Aus- _ _

nutzung des Bernoulli-Effekts in kinetische Energie des Windrades umgewandelt. Wenn das Windrad mit dem Generator in Antriebsverbindung ist, wird durch die Drehung des Windrades der Generator angetrieben und kann elektrische Energie erzeugen.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist unter einer Batterieanordnung eine Vorrichtung zu verstehen, welche zumindest eine elektrochemische Zelle aufweist. Die Batterieanordnung kann dabei bauliche Mittel, insbesondere ein Gehäuse, aufweisen, welche die elektrochemische Zelle positionsstabil tragen können. Die Batterieanordnung kann Mittel zum Kontaktieren der elektrochemischen Zelle aufweisen. Das Gehäuse kann die elektrochemische Zelle gegenüber der Umgebung abdichten.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist unter einer elektrochemischen Zelle eine Vorrichtung zu verstehen, welche auch zur Speicherung von chemischer Energie und zur Abgabe von elektrischer Energie dienen kann. Dazu kann die elektrochemische Zelle wenigstens einen Elektrodenstapel, worunter auch Elektrodenwickel zu verstehen sind, aufweisen, der mittels einer Umhüllung gegenüber der Umgebung weitgehend gas- und flüssigkeitsdicht abgegrenzt ist. Auch kann die elektrochemische Zelle ausgestaltet sein, elektrische Energie beim Laden aufzunehmen. Man spricht dann auch von einer Sekundärzelle oder einem Akkumulator.

Die Batterieanordnung ist dabei vorzugsweise derart ausgestaltet, dass diese zumindest zeitweise wesentliche Anteile der von dem Generator erzeugten elektrischen Energie aufnehmen kann. Damit ist gemeint, dass die Batterieanordnung mindestens 50%, insbesondere mindestens 75%, insbesondere 90%, insbesondere 100% der vom Generator maximal erzeugbaren elektrischen Leistung aufnehmen und in chemische Energie umwandeln kann. Insofern stellt die Batterieanordnung vorzugsweise deutlich mehr Kapazitäten zur Umwandlung von elektrischer Energie in chemische Energie zur Verfügung, als dies beispielsweise als Notstromaggregate fungierende Batterien oder Puffer- _ .

batterien zu leisten vermögen. Durch eine Batterieanordnung dieser Art kann zum einen eine Speicherung von elektrischer Energie in Zeiten, in denen die Windkraftanlage viel elektrische Energie produzieren kann, erreicht werden. Zum anderen kann die Batterieanordnung in Zeiten, in denen aufgrund geringem Windaufkommens wenig elektrische Energie durch den Generator erzeugt werden kann, elektrische Energie bereitstellen.

Vorzugsweise kann ein Gehäuse der Batterieanordnung und/oder eine Umhüllung einer elektrochemischen Zelle unmittelbar vom Wasser des Gewässers umströmt werden. Unter dem Wasser des Gewässers ist dabei vorzugsweise das Meerwasser oder das Wasser eines Sees oder Flusses gemeint, in oder an dem die Windkraftanlage aufgestellt ist. Das Wasser des Gewässers kann dabei zur Temperierung der Batterieanordnung und/oder der elektrochemischen Zelle dienen. Zum Beispiel weist die Nordsee Wassertemperaturen von ca. 10°C im Winter und ca. 25°C im Sommer auf. Die resultierende Temperaturdifferenz von ca. 15°C über den Jahresverlauf stellt eine sehr geringe Temperaturschwankung im Vergleich zu den Schwankungen dar, welche im Betrieb von elektrochemischen Zellen auftreten können. Insofern eignet sich das Meerwasser sehr gut, um elektrochemische Zellen bei nahezu gleichbleibenden Außen- bedingungen zu temperieren. Da das Gehäuse der Batterieanordnung und/oder die Umhüllung einer elektrochemischen Zelle dabei unmittelbar mit dem Wasser in Kontakt geraten kann, kann der bauliche Aufwand für die Kühlung gering gehalten werden. Die Batterieanordnung kann dabei zumindest teilweise, insbesondere vollständig unterhalb einer Wasseroberfläche des Gewässers angeordnet sein. Vorzugsweise ist die Batterieanordnung und/oder die elektrochemische Zelle bei jeglichen Gezeitenbedingungen zumindest mit Teilen des Wassers in Kontakt.

Alternativ oder in Kombination hierzu können Mittel zum Fördern von Wasser aus dem Gewässer zur Batterieanordnung vorgesehen sein. Hierdurch kann eine Unabhängigkeit vom Wasserstand des Gewässers, insbesondere dem Tidenhub erreicht werden. Die Fördermittel können eine Pumpe aufweisen. . _

Alternativ oder in Kombination hierzu kann ein separater Wärmekreislauf vorgesehen sein, der in thermischem Kontakt mit zumindest einer elektrochemischen Zelle einerseits und dem Wasser des Gewässers andererseits steht. Der thermische Kontakt kann dabei unmittelbar mit der elektrochemischen Zelle als auch mittelbar über Teile der Batterieanordnung gebildet sein. Bei einer derartigen Anordnung kann vorzugsweise eine räumliche Trennung der Batterieanordnung und/oder der elektrochemischen Zelle von dem Wasser des Gewässers gegeben sein. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das Wasser des Gewässers salzhaltig ist, da salzhaltiges Wasser die Umhüllung der elektrochemischen Zelle und/oder das Gehäuse der Batterieanordnung chemisch angreifen kann. Ferner kann die Batterieanordnung an Orten montiert sein, an die das Wasser des Gewässers nicht selbständig hin gelangen kann. Vorzugsweise ist eine Batterieanordnung lösbar in einem Gehäuse der Windkraftanlage befestigt. Unter einer lösbaren Verbindung ist dabei eine derartige Verbindung zu verstehen, die dazu ausgelegt ist, im Rahmen des ordnungsgemäßen Betriebs der Windkraftanlage mehrmals gelöst bzw. wieder befestigt zu werden. Ein Austauschen der Batterieanordnung stellt einen Bestandteil der routinemäßigen Benutzung der Windkraftanlage dar. Ein Ausbau der Batterieanordnung lediglich zu Wartungszwecken stellt dabei keine routinemäßige Benutzung der Windkraftanlage dar. Eine lösbare Verbindung eignet sich insbesondere für ein automatisiertes Lösen und Befestigen der Batterieanordnung in dem Gehäuse der Windkraftanlage. Insbesondere kann damit erreicht werden, dass Teile der von der Windkraftanlage erzeugten elektrischen Energie mit der Batterieanordnung von der Windkraftanlage wegtransportiert werden. Die lösbare Verbindung kann dabei mittels einer Einschubvorrichtung realisiert sein. Die Batterieanordnung kann dabei durch geeignete Sicherungsmittel, beispielsweise Bolzen, gegen unbeabsichtigtes Lösen gesichert sein. Eine derartig lösbar angebrachte Batterieanordnung ist vorzugsweise an einer Außenseite des Gehäuses der Windkraftanlage angebracht, um eine vereinfachte Montage und Demontage zu ermöglichen. - -

Vorzugsweise ist die Batterieanordnung außerhalb eines Windkraftanlagengehäuses angebracht. Unter einem Windkraftanlagengehäuse ist dabei eine derartige Einrichtung zu verstehen, welche im Wesentlichen ortsfest an Teilen der Windkraftanlage angebracht ist und zumindest Teile der Windkraftanlage gegen Umwelteinflüsse schützen kann. Ferner kann das Windkraftanlagengehäuse Stützfunktionen für Komponenten der Windkraftanlage aufnehmen. Dadurch, dass die Batterieanordnung außerhalb des Windkraftanlagengehäuses angebracht ist, kann die Batterieanordnung leicht von der Windkraftanlage entfernt werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn eine vom Windkraftanlagengehäuse lösbare Batterieanordnung verwendet wird, welche insbesondere dafür vorgesehen sein kann, häufig von der Windkraftanlage entfernt und wieder anmontiert zu werden. Vorzugsweise weist die Windkraftanlage als Vorrichtung zur Abgabe von elektrischer Energie ausschließlich Batterieanordnungen auf. Diese sind insbesondere lösbar an der Windkraftanlage befestigt. Wenn ausschließlich Batterieanordnungen zur Abgabe von elektrischer Energie vorgesehen sind, sind Kabelanbindungen an die Windkraftanlage unnötig. Die elektrische Energie wird somit mitsamt den Batterieanordnungen von der Windkraftanlage weg transportiert. Mittels eines Krans können die Batterieanordnungen direkt auf ein Schiff gehoben werden. Die Batterieanordnungen können dabei auch zur Versorgung des Schiffes mit Antriebs- oder Versorgungsenergie verwendet werden. Insofern stellt ein Windkraftrad mit abnehmbarer Batterieanordnung eine Art Tankstelle für elektrisch betriebene Schiffe dar. Dies ist insbesondere bei Windkraftanlagen von Vorteil, die in großer Entfernung vom Festland aufgestellt sind.

Alternativ oder in Kombination zu den vorgenannten Möglichkeiten kann die Batterieanordnung in einem Fundament der Windkraftanlage angeordnet sein. Insbesondere kann dabei die Masse der Batterieanordnungen als Fundamentmasse zur Fixierung der Windkraftanlage verwendet werden. Hierzu eignen sich _ _

insbesondere wartungsfreie Lithium-Ionen-Batterien. Ferner können nahezu jede Stellen an einem Gehäuse des Windkraftrades mit elektrochemischen Zellen befüllt sein. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Versorgen eines Schiffes mit Antriebs- und/oder Versorgungsenergie, wobei eine Batterieanordnung aus einer vorgenannten Windkraftanlage entnommen wird und anschließend in ein Schiff eingesetzt wird. Unter Antriebsenergie ist dabei diejenige Energie zu verstehen, die zum Vortrieb des Schiffes verwendet wird. Üblicherweise wird die Antriebsenergie mittels eines Motors über Propeller oder Schrauben umgesetzt. Unter Versorgungsenergie ist diejenige Energie gemeint, die nicht zum Antrieb des Schiffes sondern zur Versorgung sonstiger technischer Einrichtungen des Schiffes, wie beispielsweise Steuereinrichtungen oder Klimatisierungseinrichtungen, verwendet wird. Üblicherweise wird die Versorgungsenergie auf Schiffen oder Flugzeugen durch eine Auxiliary Power Unit (APU) bereitgestellt. Die Batterieanordnung, welche nunmehr die Versorgungsenergie eines Schiffes aufbringt, kann eine derartige APU ersetzen.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Temperieren einer elektro- chemischen Zelle, wobei über eine Wärmetauschvorrichtung ein Austausch von Energie von der elektrochemischen Zelle mit zumindest Teilen der Umgebung vorgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmeaustausch mit dem Wasser eines Gewässers stattfindet, insbesondere mit dem Wasser eines Meeres oder eines Binnengewässers. Unter einer Wärmetauschvorrichtung kann ein Wärmetauscher verstanden werden. Eine Wärmetauschvorrichtung kann aber lediglich auch durch ein Gehäuse bereitgestellt werden. Hierbei kann eine Außenfläche des Gehäuses mit dem Wasser des Gewässers in Kontakt treten. Eine Innenfläche des Gehäuses kann Energie von der elektrochemischen Zelle aufnehmen.

Vorzugsweise gerät das Wasser des Gewässers in unmittelbaren Kontakt mit einem Gehäuse, welches die Elektrochemische Zelle aufnimmt, oder mit einer - -

Umhüllung der elektrochemischen Zelle. Hiermit kann eine baulich einfach gestaltete Wärmetauschvorrichtung bereitgestellt werden. Durch die nahezu gleichbleibenden Temperaturen eines Gewässerwassers kann eine gleichmäßige Temperierung gewährleistet sein.

Alternativ kann die elektrochemische Zelle mit einem Kühlflüssigkeitskreislauf in wärmeübertragendem Kontakt sein, wobei der Kühlflüssigkeitskreislauf mit dem Wasser eines Gewässers in wärmeübertragendem Kontakt steht.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigen:

Fig. 1 eine Windkraftanlage in einer ersten Ausführungsform; Fig. 2 eine Windkraftanlage in einer zweiten Ausführungsform; eine Windkraftanlage in einer dritten Ausführungsform; eine Windkraftanlage in einer vierten Ausführungsform; eine Windkraftanlage in einer fünften Ausführungsform; eine Windkraftanlage in einer sechsten Ausführungsform; einen Ausschnitt eines Windkraftanlagengehäuses mit einer einge setzten Batterieanordnung;

Fig. 8 schematisch einen Kühlkreislauf

a) in einer ersten Ausführungsform,

b) in einer zweiten Ausführungsform; und - -

Fig. 9 eine Batterieanordnung, die außerhalb eines Windkraftanlagengehäuses angebracht ist.

Figur 1 zeigt eine Windkraftanlage 1 für die Anwendung auf dem offenen Meer in einer ersten Ausführungsform. Die Windkraftanlage 1 weist ein Windrad 2 auf, welches auf einem Windkraftanlagengehäuse 3 angebracht ist. In einem oberen Teil des Windkraftanlagengehäuses 3 ist ein Generator 4 vorgesehen, welcher mit dem Windrad 2 antriebsverbunden ist. Unterhalb einer Wasseroberfläche 5 ist ein Fundament 6 vorgesehen, welches die gesamte Windkraftanlage 1 in ihrer Position und Lage hält. Das Fundament 6 weist die Form eines Tripods auf, welches durch drei Stahlpfähle 7 gebildet ist. Die Stahlpfähle 7 sind in einen Meeresboden 8 hineingerammt. Ein zentrales Tragrohr 9 verbindet das Fundament 6 mit dem oberen Teil des Windkraftanlagengehäuses 3. Ein Gehäuse, welches den Generator 4 aufnimmt, das Tragrohr 9 sowie das Fundament 6 sind Bestandteil des Windkraftanlagengehäuses 3.

Jeweils eine Batterieanordnung 10 ist innerhalb eines oder mehrerer Stahlpfähle 7 angeordnet. Eine weitere Batterieanordnung 10 ist innerhalb des Tragrohrs 9 angeordnet. Die Batterieanordnungen 10 sind dabei innerhalb des Wind- kraftanlagengehäuses 3 angeordnet. Anstelle der Batterieanordnungen 10 können auch einzelne elektrochemische Zellen verwendet werden, was auch für die folgenden Ausführungsformen gilt.

Dabei wird zum einen der durch die Stahlpfähle 7 und das Tragrohr 9 bereit- gestellte Raum effizient durch die Batterieanordnungen 10 genutzt. Zum anderen können die Gewichtskräfte der Batterieanordnungen 10 zur Stabilisierung der Fundamente genutzt werden.

Figur 2 zeigt eine Windkraftanlage 1 in einer zweiten Ausführungsform, die weitgehend der ersten Ausführungsform entspricht. Im Folgenden wird nur auf die Unterschiede eingegangen. Das Fundament 6 der Windkraftanlage 1 weist eine fachwerkartige Struktur aus Stahlelementen 1 1 auf, an deren Unterseite - -

vier rechteckig zueinander angeordnete Stahlpfähle 7 vorgesehen sind. An der fachwerkartigen Struktur aus Stahlelementen 11 ist eine Lagervorrichtung in Form eines Plateaus ausgebildet, auf den eine Batterieanordnung 10 angebracht werden kann. Die Batterieanordnung 10 ist in diesem Fall außerhalb des Windkraftanlagengehäuses 3 angebracht.

Figur 3 zeigt eine Windkraftanlage 1 in einer dritten Ausführungsform, die weitgehend der ersten Ausführungsform entspricht. Im Folgenden wird nur auf die Unterschiede eingegangen. Das Windkraftanlagengehäuse 3 weist im Wesent- liehen ein Tragrohr 9 auf, welches auch das Fundament 6 bildet. Das Tragrohr 9 weist über seine Länge unterschiedliche Durchmesser auf und wird in den Meeresboden 8 hineingerammt. In einem unteren Teil des Tragrohrs 9 ist unterhalb der Meeresoberfläche eine Batterieanordnung 10 angeordnet. Figur 4 zeigt eine Windkraftanlage 1 in einer vierten Ausführungsform, die weitgehend der dritten Ausführungsform entspricht Im Folgenden wird nur auf die Unterschiede eingegangen. An einem unteren Ende des Tragrohres 9 ist ein Schwerkraftkörper 13 vorgesehen, der auf dem Meeresboden 8 aufliegt. Einen wesentlichen Anteil der Gewichtskraft des Schwerkraftkörpers 13 wird durch einliegende Batterieanordnungen 10 gebildet.

Figur 5 zeigt eine Windkraftanlage 1 in einer fünften Ausführungsform, die weitgehend der vierten Ausführungsform entspricht. Im Folgenden wird nur auf die Unterschiede eingegangen. Das Fundament 6 wird im Wesentlichen durch einen Eimer 14 gebildet, in dem Ballast angeordnet ist. Der Ballast wird zum Teil durch Batterieanordnungen 10 gebildet. Das Tragrohr 9 ist fest mit dem Eimer 14 verbunden.

Figur 6 zeigt eine Windkraftanlage 1 in einer sechsten Ausführungsform, die weitgehend der vierten Ausführungsform entspricht. Im Folgenden wird nur auf die Unterschiede eingegangen. Das Tragrohr 9 ist im Wesentlichen - -

schwimmend gestaltet. Ein Seil 15 verbindet das Tragrohr 9 mit einem Schwerkraftfundament 13, in welchem Batterieanordnungen 10 angeordnet sind.

Figur 7 zeigt beispielhaft die Anordnung der Batterieanordnung 10 innerhalb des Tragrohres 9. Dabei ist eine Ausnehmung 16 vorgesehen, welche sich in etwa im Bereich der Wasseroberfläche 5 befindet. Die Batterieanordnung 10 ist innerhalb der Ausnehmung 16 gehalten und ist in unmittelbarem Kontakt mit dem Wasser. Kühlrippen 17 sind am Gehäuse der Batterieanordnung 10 vorgesehen, um eine bessere Wärmeableitung vom Batteriegehäuse zum Wasser zu ermöglichen. Die Kühlrippen 17 dienen zum Brechen der Wellen. Die Batterieanordnung 10 ist lösbar innerhalb des Tragrohres gehalten.

Figur 8a zeigt schematisch den Aufbau einer Wärmetauschvorrichtung. Die Batterieanordnung 10 ist über Leitungen 18 mit einem separaten Wärme- tauscher 19 verbunden. Weitere Leitungen 20 sind an dem Wärmetauscher 19 angeordnet und dazu vorgesehen, Meerwasser 21 zu dem Wärmetauscher 19 zu fördern. In der Ausgestaltung gemäß der Figur 8b ist abweichend dazu der Wärmetauscher 19 unmittelbar innerhalb des Meerwassers 21 angeordnet. Die weiteren Leitungen 20 können damit entfallen.

Figur 9 zeigt schematisch die Anordnung der Batterieanordnung 10 auf dem Plateau 12. Das Plateau 12 ist außerhalb des Windkraftanlagengehäuses 3 angeordnet. Die Batterieanordnung 10 kann von einem weiteren nicht dargestellten Gehäuse gegen Umwelteinflüsse geschützt sein. Dieses weitere Gehäuse ist abnehmbar oder erlaubt in sonstiger Weise einen leichten Zugang zur Batterieanordnung 10. Das weitere Gehäuse ist nicht Bestandteil des Windkraftanlagengehäuses 3. Die Batterieanordnung 10 ist über Leitungen 22 mit dem nicht dargestellten Generator 4 verbunden. Durch die Anordnung des Plateaus 12 außerhalb des Windkraftanlagengehäuses kann ein nicht dar- gestellter Kran die Batterieanordnung 10 von der Windkraftanlage wegbefördern, beispielsweise hin zu einem Schiff. Bezugszeichenliste

1 Windkraftanlage

2 Windrad

3 Windkraftanlagengehäuse

4 Generator

5 Wasseroberfläche

6 Fundament

7 Stahlpfahl

8 Meeresboden

9 Tragrohr

10 Batterieanordnung

11 fachwerkartige Struktur aus Stahlelementen

12 Lagervorrichtung

13 Schwerkraftkörper

14 Eimer

15 Seil

16 Ausnehmung

17 Kühlrippe

18 Leitungen

19 Wärmetauscher

20 Leitungen

21 Meerwasser

22 Leitungen