AT17253U1

AT17253U1 - Verfahren und System zum Speichern und Abgeben von elektrischer Energie sowie Verwendung hierfür

Info

Publication number: AT17253U1
Application number: ATGM72/2020U
Authority: AT
Original assignee: Gregor Anton Ulrich
Priority date: 2020-07-02
Filing date: 2020-07-02
Publication date: 2021-10-15
Also published as: WO2022000002A1

Abstract

Bei einem System (1) und einem Verfahren zur Speicherung und Abgabe von elektrischer Energie, insbesondere zum Ausgleichen von unterschiedlichen Belastungen eines Stromnetzes, sind die folgenden Komponenten vorgesehen: - wenigstens ein Kompressor (11) zum Umwandeln von elektrischer Energie in Druckluft, - wenigstens ein Druckluftspeicher (6) zum Speichern der Druckluft, - wenigstens ein in einem Fluid, insbesondere Wasser im Wesentlichen vertikal angeordnetes rohrförmiges Element (3, 3a, 3b, 3c) , in welches am von der Fluid- bzw. Wasseroberfläche (7) abgewandten Ende die Druckluft einbringbar ist , wenigstens ein rotierendes Element (8), welches an dem zur Wasseroberfläche (7) gewandten Ende des rohrförmigen Elements (3, 3a , 3b, 3c) angeordnet und zu einer rotierenden Bewegung durch die im rohrförmigen Element aufsteigende Druckluft antreibar ist , und - einen mit dem rotierenden Element (8) gekoppelten Generator (9) zur Umwandlung der Rotationsbewegung des rotierenden Elements (8) in elektrische Energie.

Description

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Speichern und Abgeben von elektrischer Energie, insbesondere zum Ausgleichen von unterschiedlichen Belastungen eines Stromnetzes, umfassend die folgenden Schritte:

- Speichern von elektrischer Energie durch ein Komprimieren von Luft, und

- Speichern der komprimierten Luft in wenigstens einem Druckluftspeicher.

[0002] Die vorliegende Erfindung betrifft weiters ein System zur Speicherung und Abgabe von elektrischer Energie, insbesondere zum Ausgleichen von unterschiedlichen Belastungen eines Stromnetzes, umfassend die folgenden Komponenten:

- wenigstens einen Kompressor zum Umwandeln von elektrischer Energie in Druckluft,

- wenigstens einen Druckluftspeicher zum Speichern der Druckluft.

[0003] Die vorliegende Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf eine Verwendung eines derartigen Verfahrens sowie eines derartigen Systems.

[0004] Mit einem zunehmenden Einsatz von erneuerbaren Energien ergibt sich insbesondere bei einer Bereitstellung von elektrischer Energie durch Sonne unter Einsatz von Photovoltaikanlagen und Wind durch Windkraftwerke das Problem, dass derartige Energiequellen üblicherweise nicht gleichmäßig und in Übereinstimmung mit einem auftretenden Energiebedarf Energie zur Verfügung stellen können. Derart werden, da wirtschaftliche Energiespeicher überwiegend nicht bzw. nicht in ausreichender Menge zur Verfügung stehen, Verfahren und Systeme bzw. Vorrichtungen erforderlich, welche insbesondere einen Ausgleich von unterschiedlichen Belastungen eines Stromnetzes zwischen Zeiten einer Spitzenlast und Zeiten einer Schwachlast ermöglichen. In diesem Zusammenhang ist es oftmals erforderlich, zumindest als Reserve kalorische Kraftwerke und/oder nukleare Kraftwerke bereitzustellen, welche einen Ausgleich zwischen einem Strombzw. Energieangebot und einer entsprechenden Nachfrage insbesondere zur Stabilisierung eines Stromnetzes ermöglichen bzw. erlauben.

[0005] In diesem Zusammenhang ist weiters beispielsweise der Einsatz von Druckluftspeicherkraftwerken bekannt, bei welchen in Schwachlastzeiten zur Verfügung stehende, überschüssige elektrische Energie durch ein Komprimieren von Luft in einem Druckluftspeicher gespeichert wird und bei entsprechend höherem Energiebedarf Druckluft aus dem Druckluftspeicher entnommen und wiederum in elektrische Energie umgewandelt wird. In diesem Zusammenhang wird beispielsweise auf die DE 10 2012 205 592 B4, die DE 20 2005 003 611 U1 oder die AT 518 150 B1 verwiesen.

[0006] Da bei einer Bereitstellung von elektrischer Energie durch Entnahme von Druckluft aus einem Druckluftspeicher bei einer entsprechenden Entspannung der Druckluft eine Abkühlung derselben erfolgt, wobei dies zu einem Einfrieren der Druckluft und Vereisen von Leitungen oder einer nachgeschalteten Turbine führen kann, ist bei derartigen Druckluftspeicherkraftwerken entweder eine Aufwärmung der Druckluft vor einem Einbringen in eine Turbine vorzusehen oder es erfolgt ein Betrieb eines derartigen Druckluftspeicherkraftwerks als Hybrid-Kraftwerk in Kombination mit einer Gasturbine, wobei der zu entspannenden Druckluft Gas zur Vermeidung eines Vereisens zugeführt wird und das derart entstehende Gemisch in einem Gasturbinenkraftwerk in elektrische Energie umgewandelt wird. Bei derartigen bekannten Druckluftspeicherkraftwerken ist somit ein zusätzlicher Aufwand für eine Vermeidung eines Vereisens entweder durch Bereitstellung von zusätzlicher Wärmenergie und/oder in Form eines Betriebs eines Gasturbinenkraftwerks vorzusehen, so dass nicht nur ein zusätzlicher konstruktiver Aufwand für eine Umwandlung der in der Druckluft gespeicherten Energie in elektrische Energie erforderlich ist, sondern auch lediglich ein entsprechend reduzierter gesamter Wirkungsgrad bereitgestellt werden kann.

[0007] Die vorliegende Erfindung zielt daher darauf ab, ausgehend von bekannten Verfahren und Systemen zur Speicherung von Energie zu Spitzenlastzeiten bzw. bei Vorliegen eines Überschusses elektrischer Energie in Form von Druckluft in Druckluftspeichern, den konstruktiven Aufwand für eine neuerliche Bereitstellung elektrischer Energie unter Einsatz der gespeicherten

Druckluft bei insbesondere erhöhtem gesamten Wirkungsgrad zu verringern bzw. zu optimieren.

[0008] Zur Lösung dieser Aufgaben ist ein Verfahren der eingangs genannten Art im Wesentli-

chen durch die folgenden zusätzlichen Schritte gekennzeichnet:

- Einbringen der Druckluft in wenigstens ein in einem Fluid, insbesondere Wasser im Wesentlichen vertikal angeordnetes rohrförmiges Element an einem von der Fluid- bzw. Wasseroberfläche abgewandten Ende desselben,

- Antreiben wenigstens eines rotierenden Elements am zur Wasseroberfläche gewandten Ende des rohrförmigen Elements durch die im rohrförmigen Element aufsteigende Luft, und

- Umwandeln der von der im rohrförmigen Element aufsteigenden Luft erzeugten Bewegungsenergie in elektrische Energie durch ein Koppeln des rotierenden Elements mit einem Generator zur Bereitstellung von elektrischer Energie.

[0009] Durch ein Einbringen der Druckluft in ein in einem Fluid, insbesondere Wasser im Wesentlichen vertikal angeordnetes rohrförmiges Element an einem von der Fluid- bzw. Wasseroberfläche abgewandten Ende desselben gelingt es, durch die in dem rohrförmigen Element aufsteigende Luft bzw. Druckluft eine entsprechende Bewegung des Fluids bzw. Wassers zu erzielen, wodurch das wenigstens eine rotierende Element im Bereich der Wasseroberfläche zu einer rotierenden Bewegung angetrieben wird. Durch das erfindungsgemäße vorgesehene Koppeln dieses rotierenden Elements mit einem Generator lässt sich somit die durch die in dem im Wesentlichen vertikal angeordneten rohrförmigen Element aufsteigende Luft erzeugte Bewegungsenergie in eine Rotationsenergie umwandeln und in weiterer Folge daraus elektrische Energie bereitstellen, wobei eine derartige Bereitstellung elektrischer Energie in Spitzenlastzeiten mit einer, insbesondere im Vergleich zu einem Anfahren von üblicherweise als Reserve bereitzustellenden kalorischen Kraftwerken oder dgl., stark verringerten Ansprechzeit erzielbar ist.

[0010] Es wird somit möglich, bei dem erfindungsgemäßen Verfahren insbesondere auf eine Bereitstellung von zusätzlichen Komponenten zur Verhinderung eines Vereisens der Druckluft bei einer neuerlichen Bereitstellung elektrischer Energie in einer Turbine zu verzichten.

[0011] Eine derartige Bereitstellung elektrischer Energie entsprechend dem obigen erfindungsgemäßen Verfahren kann hierbei, wie dies erfindungsgemäß zusätzlich vorgeschlagen wird, im Rahmen einer Integration in ein bzw. einer Kopplung mit einem Wasserkraftwerk, insbesondere einem Speicherkraftwerk oder Laufkraftwerk erfolgen, wobei nicht nur entsprechende Möglichkeiten einer Anordnung entsprechend leistungsfähiger rohrförmiger Elemente möglich sind, sondern auch ein unmittelbares Einkoppeln der erzeugten elektrischen Energie in ein insbesondere Öffentliches Stromnetz erfolgen kann.

[0012] Gemäß einer erfindungsgemäß vorgeschlagenen abgewandelten Verwendung kann ein derartiges Verfahren zur Integration in ein(e) bzw. Kopplung mit einer Photovoltaikanlage und/oder einem Windkraftwerk, insbesondere einer nicht-kommerziellen, privaten Stromerzeugungseinrichtung vorgesehen sein. Derart wird beispielsweise bei Vorhandensein einer insbesondere privaten Photovoltaikanlage oder einem Klein-Windkraftwerk eine kostengünstige Speicherung von überschüssiger elektrischer Energie, insbesondere unter Verzicht auf aufwendige und kostspielige Akkumulatoren möglich.

[0013] Zur Verbesserung der gesamten Energiebilanz des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bevorzugt vorgeschlagen, dass in an sich bekannter Weise die komprimierte Luft vor einem Einbringen in den Druckluftspeicher über einen Wärmetauscher zur Abgabe von Wärmeenergie geführt wird. Derart gelingt es, bei der Erzeugung der Druckluft anfallende Wärmeenergie zusätzlich zu nutzen.

[0014] Zur Lösung der eingangs genannten Aufgaben ist darüber hinaus ein System der oben

genannten Art im Wesentlichen durch die folgenden zusätzlichen Komponenten gekennzeichnet:

- wenigstens ein in einem Fluid, insbesondere Wasser im Wesentlichen vertikal angeordnetes rohrförmiges Element, in welches am von der Fluid- bzw. Wasseroberfläche abgewandten Ende die Druckluft einbringbar ist,

- wenigstens ein rotierendes Element, welches an dem zur Wasseroberfläche gewandten Ende des rohrförmigen Elements angeordnet und zu einer rotierenden Bewegung durch die im rohrförmigen Element aufsteigende Druckluft antreibbar ist, und

- einen mit dem rotierenden Element gekoppelten Generator zur Umwandlung der Rotationsbewegung des rotierenden Elements in elektrische Energie.

[0015] Wie oben bereits ausgeführt, ist zur Bereitstellung elektrischer Energie in Spitzenlastzeiten vorgesehen, die in wenigstens einem Druckluftspeicher gespeicherte Druckluft in ein in einem Fluid, insbesondere Wasser im Wesentlichen vertikal angeordnetes rohrförmiges Element an einem von der Fluid- bzw. Wasseroberfläche abgewandten Ende einzubringen, wobei durch die im rohrförmigen Element aufsteigende Luft ein an zur Wasseroberfläche gewandten Ende des rohrförmigen Elements angeordnetes rotierendes Element zu einer rotierenden Bewegung angetrieben wird. Durch eine Kopplung dieses rotierenden Elements mit einem Generator lässt sich somit wiederum insbesondere in Spitzenlastzeiten mit gegenüber bekannten Anlagen verringertem konstruktivem Aufwand insbesondere für ein Verhindern eines Vereisens bei der Bereitstellung der Druckluft als auch mit kurzen Ansprechzeiten elektrische Energie unter Erzielung einer insgesamt verbesserten gesamten Energiebilanz bereitstellen.

[0016] Wie oben bereits ausgeführt, lässt sich ein derartiges erfindungsgemäßes System in vorteilhafter Weise mit einem Wasserkraftwerk, insbesondere einem Speicherkraftwerk oder Laufkraftwerk kombinieren bzw. in dieses integrieren oder kann für eine Speicherung und Abgabe elektrischer Energie bei Vorsehen privater Energie- bzw. Stromerzeugungsanlagen eingesetzt werden.

[0017] Zur weiteren Verbesserung der gesamten Energiebilanz wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, dass dem Druckluftspeicher in an sich bekannter Weise ein Wärmetauscher zur Abgabe von Wärmeenergie der Druckluft vorgeschaltet ist. Derart kann die durch die bei der Erzeugung der Druckluft anfallende Wärmeenergie entsprechend zusätzlich genutzt werden.

[0018] Für eine zuverlässige Einbringung der Druckluft in das rohrförmige Element ist gemäß einer weiters bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass in das rohrförmige Element an dem von der Wasseroberfläche abgewandten Ende wenigstens eine Leitung zur Einbringung der Druckluft mündet.

[0019] Insbesondere bei Vorsehen von größere Abmessungen aufweisenden Anlagen, wie beispielsweise einem entsprechend großen Durchmesser des im Wesentlichen vertikal angeordneten rohrförmigen Elements, ist gemäß einer weiters bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass am zur Wasseroberfläche gewandten Ende des rohrförmigen Elements eine Mehrzahl von rotierenden Elementen insbesondere gleichmäßig über den Umfang des rohrförmigen Elements verteilt angeordnet ist. Derart kann mit vergleichsweise kleinbauenden rotierenden Elementen, welche entsprechend kostengünstig bereitgestellt werden können, auch eine gegebenenfalls große Querschnittsfläche eines derartigen rohrförmigen Elements durch Vorsehen einer Mehrzahl von rotierenden Elementen zur Umwandlung der von der aufsteigenden Luft erzeugten Bewegungsenergie in elektrische Energie genutzt werden. In diesem Zusammenhang ist gemäß einer weiters bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass jedes rotierende Element mit einem Generator gekoppelt ist.

[0020] Zur Unterstützung der durch die aufsteigende Luft im Inneren des rohrförmigen Elements erzeugten Bewegungsenergie durch die sich jeweils vergrößernden Gas- bzw. Luftblasen kann darüber hinaus vorgesehen sein, dass das wenigstens eine rohrförmige Element ausgehend von dem von der Wasseroberfläche abgewandten Ende mit einem sich erweiternden Querschnitt ausgebildet ist, wie dies einer weiters bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems entspricht.

[0021] Hierbei kann gemäß einer weiters bevorzugten Ausführungsform vorgesehen sein, dass das rohrförmige Element von einer Mehrzahl von in Längsrichtung des rohrförmigen Elements aneinander anschließenden einzelnen rohrförmigen Elementen gebildet ist. Derart kann insbe-

sondere entsprechend den örtlichen Gegebenheiten und/oder den technischen Anforderungen jeweils eine Mehrzahl von aneinander anschließenden rohrförmigen Elementen miteinander gekoppelt werden, so dass beispielsweise durch ein Bereitstellen von vorgefertigten, beispielsweise standardisierten rohrförmigen Elementen entsprechend einem Bausatz diese Elemente für gegebenenfalls unterschiedliche Einsatzzwecke kombiniert werden können.

[0022] Zur Erleichterung eines Zusammenbaus derartiger rohrförmiger Elemente und/oder der Installation derselben kann darüber hinaus vorgesehen sein, dass die aneinander anschließenden einzelnen rohrförmigen Elemente gelenkig bzw. relativ zueinander bewegbar miteinander gekoppelt sind, wie dies einer weiters bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems entspricht.

[0023] Wie bereits mehrfach erwähnt, erfolgt durch das Einbringen der Druckluft an einem von der Wasseroberfläche abgewandten Ende bzw. Bereich des rohrförmigen Elements durch ein Aufsteigen der Luftblasen in dem rohrförmigen Element eine Erzeugung bzw. Bereitstellung von Bewegungsenergie durch die aufsteigende Luft, welche durch das am im Bereich der Wasseroberfläche angeordnete, wenigstens eine rotierende Element in Rotationsenergie dieses rotierenden Elements sowie in weiterer Folge in elektrische Energie umgewandelt wird. Zur Berücksichtigung von gegebenenfalls unterschiedlichen Anforderungen im Hinblick auf die Bereitstellung elektrischer Energie wird gemäß einer weiters bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, dass mehrere Zuleitungen für ein Einbringen der Druckluft in das wenigstens eine rohrförmige Element auf unterschiedlichen Höhenniveaus entlang der Längserstreckung des rohrförmigen Elements in dieses münden. Durch eine Einleitung der Druckluft auf unterschiedlichen Höhenniveaus in das rohrförmige Element wird durch die aufsteigenden Luftblasen ein unterschiedliches Ausmaß an Bewegungsenergie durch die aufsteigenden Luftblasen bereitgestellt, wobei dies in weiterer Folge die bereitzustellende bzw. erzielbare elektrische Energie beeinflusst.

[0024] Zur Unterstützung der Umwandlung der durch die aufsteigenden Luftblasen erzeugten Bewegungsenergie in Rotationsenergie des rotierenden Elements wird gemäß einer weiters bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems vorgeschlagen, dass im Bereich des wenigstens einen rotierenden Elements und insbesondere oberhalb der Wasseroberfläche wenigstens ein Umlenkelement zum Umlenken des durch die aufsteigende Luft bewegten Wassers vorgesehen ist.

[0025] Für eine besonders wirksame und derart einen hohen gesamten Wirkungsgrad bereitstellende Umwandlung der Bewegungsenergie der aufsteigenden Luftblasen in Rotationsenergie und in weiterer Folge in elektrische Energie ist darüber hinaus vorgesehen, dass das rotierende Element mit einer Mehrzahl von Schaufeln oder dgl. zum Umwandeln der durch die aufsteigende Druckluft erzeugten Bewegungsenergie in eine Rotationsenergie ausgebildet ist, wie dies einer weiters bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems entspricht.

[0026] Insbesondere bei Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie des erfindungsgemäßen Systems mit einem Wasserkraftwerk kann neben einer Erzielung von Einsparungen im Hinblick auf Erfordernisse betreffend die Einspeisung der erzeugten elektrischen Energie in ein insbesondere Öffentliches Stromnetz durch die in dem wenigstens einen rohrförmigen Element aufsteigende Luft zusätzlich eine Belebung des Wassers durch eine zusätzliche Einbringung von Luft und/oder Sauerstoff erzielt werden. Weiters kann durch die durch die aufsteigende Luft erzielte Umwälzung des Wassers im Bereich des im Wesentlichen vertikal angeordneten rohrförmigen Elements eine Ablagerung von Sedimenten oder dgl. vermieden bzw. zumindest verringert werden, so dass die üblicherweise bei Wasserkraftwerken erforderlichen Zusatzarbeiten zur Entfernung derartiger Sedimente oder Ablagerungen vermieden bzw. zumindest reduziert werden können und derart der Aufwand für einen Betrieb eines derartigen Wasserkraftwerks optimiert werden kann.

[0027] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der beiliegenden Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In dieser zeigen:

[0028] Fig. 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Systems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche mit einem Fluss- bzw. Laufkraftwerk gekoppelt sind;

[0029] Fig. 2 eine schematische Ansicht von wesentlichen Teilen des Systems von Fig. 1, wobei Fig. 2a eine schematische Draufsicht im Bereich einer Staumauer zeigt und Fig. 2b eine vergrößerte Detailansicht einer Draufsicht auf eine Mehrzahl von rohrförmigen Element im Bereich der Wasseroberfläche zeigt,

[0030] Fig. 3 schematische Teilansichten ähnlich Fig. 1 und 2 eines abgewandelten erfindungsgemäßen Systems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche mit einem Speicherkraftwerk gekoppelt sind, wobei Fig. 3a eine schematische Darstellung einer Mehrzahl von rohrförmigen Elementen im Bereich einer Staumauer zeigt, Fig. 3b eine schematische Detailansicht eines rohrförmigen Elements mit einer Mehrzahl von rotierenden Elementen zeigt und Fig. 3c eine schematische Darstellung eines mit einem Generator gekoppelten rotierenden Elements zeigt;

[0031] Fig. 4 eine Detailansicht einer weiteren abgewandelten Ausführungsform eines aus einer Mehrzahl von Einzelelementen bestehenden rohrförmigen Elements eines erfindungsgemäßen Systems;

[0032] Fig. 5 vergrößerte Detaildarstellungen einer Umlenkeinrichtung im Bereich eines rotierenden Elements, wobei Fig. 5a eine Schnittansicht und Fig. 5b eine Vorderansicht des rotierenden Elements mit dem Umlenkelement zeigen; und

[0033] Fig. 6 ähnlich der Darstellung gemäß Fig. 1 eine weitere abgewandelte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche mit einer Photovoltaikanlage eines Privathauses gekoppelt sind.

[0034] In Fig. 1 sind schematisch Komponenten eines allgemein mit 1 bezeichneten Systems gezeigt, wobei an einer Staumauer 2 eines Flusskraftwerks eine Mehrzahl von im Wesentlichen vertikal angeordneten rohrförmigen Elementen 3 angeordnet bzw. festgelegt ist, wie dies aus den Detaildarstellungen gemäß Fig. 2a und 2b deutlicher ersichtlich ist. In Fig. 2b sind hierbei Verankerungselemente für ein rohrförmiges Element 3 mit 4 bezeichnet.

[0035] Diesen rohrförmigen Elementen 3 wird über Zuleitungen 5 Druckluft aus einem Druckluftspeicher 6 zugeführt, wobei in Fig. 1 ersichtlich ist, dass die einzelnen rohrförmigen Elemente 3 aus einer Mehrzahl von vertikal übereinander angeordneten Einzelelementen 3a, 3b, 3c bestehen, welche ausgehend von dem von der Wasseroberfläche 7 abgewandten Ende angeordneten ersten rohrförmigen Element 3a einen jeweils größeren Durchmesser in vertikaler Richtung aufweisen. Die Zufuhr von Druckluft kann hierbei in die einzelnen rohrförmigen Elemente 3a, 3b, 3c an unterschiedlichen Höhenniveaus erfolgen, wie dies durch die entsprechenden Abzweigungen der Zuleitungen 5 angedeutet ist.

[0036] Im Bereich der Wasseroberfläche 7 ist verteilt um den Umfang der rohrförmigen Elemente 3 bzw. des obersten rohrförmigen Elements 3c eine Mehrzahl von rotierenden Elementen 8, beispielsweise in Form eines schaufel- bzw. schraubenförmigen Elements vorgesehen, wobei jedes rotierende Element 8 mit einem schematisch mit 9 angedeuteten Generator gekoppelt ist, wie dies beispielsweise aus den Detaildarstellungen von Fig. 3c oder Fig. 5a nachfolgend deutlicher ersichtlich werden wird.

[0037] Durch die in den rohrförmigen Elementen 3 bzw. 3a bis 3c auf steigenden Gas- bzw. Luftblasen durch die an dem von der Wasseroberfläche 7 abgewandten Ende eingebrachte Druckluft wird das in den rohrförmigen Elementen 3 befindliche Wasser in Bewegung versetzt, so dass in weiterer Folge die im Bereich der Wasseroberfläche 7 angeordneten rotierenden Elemente 8 zu einer Rotationsbewegung angetrieben werden, worauf über die Kopplung der rotierenden Elemente 8 mit den Generatoren 9 elektrische Energie erzeugt bzw. bereitgestellt wird. Diese erzeugte elektrische Energie wird über Stromleitungen 10 in Fig. 1 abgeleitet bzw. in ein Versor-

gungsnetz eingespeist.

[0038] Dem Druckluftspeicher 6 wird Druckluft von einem Kompressor 11 zugeführt, wobei der Kompressor 11 entweder mit Überschussenergie zu Zeiten einer Schwachlast versorgt wird, wie dies durch eine externe Zuleitung 12 in Fig. 1 angedeutet ist. Alternativ oder zusätzlich kann der Kompressor 11 auch für den Fall einer übermäßigen Bereitstellung von elektrischer Energie durch das Flusskraftwerk von diesem über eine Zuleitung 13 versorgt werden.

[0039] Dieser Kompressor 11 sowie der Druckluftspeicher 6 sind ähnlich bekannten Druckluftspeicherkraftwerken ausgebildet, in welchen zur Speicherung von Uberschussenergie in Schwachlastzeiten eine Umwandlung derartiger überschüssiger elektrischer Energie in Druckluft und eine Speicherung derselben in einem Druckluftspeicher vorgenommen wird. Zur Verbesserung der Energiebilanz ist bei derartigen Druckluftspeichern üblicherweise zwischen dem Kompressor 11 und dem Druckluftspeicher 6 zusätzlich ein mit 14 in Fig. 1 bezeichneter Wärmetauscher vorgesehen, so dass die bei der Erzeugung der Druckluft anfallende Wärmeenergie ebenfalls entsprechend genutzt werden kann.

[0040] Durch Vorsehen der beispielsweise im Bereich der Staumauer 2 angeordneten vertikalen rohrförmigen Elemente 3 gelingt somit in konstruktiv einfacher Weise und bei insgesamt verbesserter gesamter Energiebilanz eine Bereitstellung von erforderlicher zusätzlicher elektrischer Energie durch ein Einbringen der Druckluft aus dem Druckluftspeicher 6 in die rohrförmigen Elemente 3, wobei die durch die aufsteigenden Gas- bzw. Luftblasen erzeugte Bewegungsenergie über die rotierende Bewegung der rotierenden Elemente 8 und die damit gekoppelten Generatoren 9 wiederum in elektrische Energie umgewandelt wird.

[0041] Durch eine Bereitstellung bzw. Erzeugung der insbesondere in Spitzenlastzeiten erforderlichen zusätzlichen elektrischen Energie im Zusammenwirken mit einem Flusskraftwerk, wie dies in Fig. 1 und 2 angedeutet ist, kann die Einspeisung dieser zusätzlich erzeugten elektrischen Energie unmittelbar über die entsprechenden Abgabeeinrichtungen des Flusskraftwerks beispielsweise an ein öffentliches Stromnetz erfolgen.

[0042] In Fig. 3 ist eine abgewandelte Ausführungsform eines Systems zum Speichern und Abgeben von elektrischer Energie zur Durchführung des entsprechenden Verfahrens gezeigt, wobei in Abwandlung von der in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsform dieses System beispielsweise im Zusammenwirken mit einem Speicherkraftwerk installiert ist.

[0043] Ähnlich wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 und 2 ist im Bereich einer Staumauer 20 eines derartigen, nicht näher dargestellten Speicherkraftwerks eine Mehrzahl von rohrförmigen Elementen 21 beispielsweise an der Staumauer 20 in nicht näher dargestellter Weise verankert. Aus der Detaildarstellung gemäß Fig. 3b ist ersichtlich, dass ähnlich wie bei der Ausführungsform, wie sie in Fig. 2b dargestellt ist, zumindest im Bereich der Wasseroberfläche 22 wiederum eine Mehrzahl von rotierenden Elementen 23 am Umfang des rohrförmigen Elements 21 vorgesehen ist, wobei die rotierenden Elemente 23 wiederum mit Generatoren 24 gekoppelt sind.

[0044] Zusätzlich ist zu den im Bereich der Wasseroberfläche 22 vorgesehenen rotierenden Elementen 23 in Abstand von diesen und unterhalb der Wasseroberfläche 22 in einer weiteren Ebene ebenfalls eine Mehrzahl von derartigen rotierenden Elementen 23 mit Generatoren 24 vorgesehen bzw. angedeutet.

[0045] Aus der detaillierten Darstellung von Fig. 3c ist ersichtlich, dass eine Welle 25 des rotierenden Elements 23 die Wand des rohrförmigen Elements 21 durchdringt und derart mit dem Generator 24 gekoppelt ist, für welchen eine Halterung an der Außenseite des rohrförmigen Elements 21 mit 26 bezeichnet ist.

[0046] Während die in Fig. 2a und Fig. 3a dargestellten rohrförmigen Elemente 21 beispielsweise fest mit den jeweiligen Staumauern 2 bzw. 20 verbunden bzw. an diesen verankert sind, ist bei der weiteren abgewandelten Ausführungsform gemäß Fig. 4 ersichtlich, dass eine Mehrzahl von im Wesentlichen vertikal übereinander angeordneten rohrförmigen Elementen 31a und 31b beispielsweise über kettenartige Elemente 32 sowie im Wesentlichen in senkrechter Richtung ver-

laufende Aufhängeelemente 33 miteinander gekoppelt ist. Jeweils in einem in vertikaler Richtung oben liegenden Bereich der rohrförmigen Elemente 31a und 31b ist wiederum über den Umfang verteilt eine Mehrzahl von rotierenden Elementen 34 vorgesehen, welche über eine Kopplung mit schematisch mit 35 angedeuteten Generatoren wiederum beispielsweise für Spitzenlastzeiten elektrische Energie durch ein Einblasen bzw. Einbringen von Druckluft aus einem nicht näher gezeigten Druckluftspeicher durch ein Aufsteigen der Gas- bzw. Luftblasen in den rohrförmigen Elementen 31a und 31b zur Verfügung stellen. Eine Einbringung von Druckluft in die einzelnen rohrförmigen Elemente 31a und 31b hierbei beispielsweise jeweils in den vertikal unteren Bereich der rohrförmigen Elemente 31a und 31b über Anschlussstutzen 36 erfolgen, an welche nicht näher dargestellte Zuleitungen für die Druckluft aus dem zugeordneten und ebenfalls nicht näher dargestellten Druckluftspeicher anschließen.

[0047] In Fig. 5 ist in vergrößerter Darstellung eine Detailansicht eines durch die aufsteigenden Gas- bzw. Luftblasen in einem rohrförmigen Element zu einer Rotationsbewegung angetriebenen rotierenden Elements 42 gezeigt, wobei anschließend an eine Wand eines rohrförmigen Elements 44, welches von einem der rohrförmigen Elemente der vorangehenden Ausführungsformen gebildet sein kann, ein Umlenkelement 41 anschließt, welches bewirkt, dass die entsprechend dem Pfeil 45 in dem rohrförmigen Element aufsteigenden Luftblasen das rotierende Element 42 zu einer Rotationsbewegung antreiben, welche in Fig. 5b mit 46 angedeutet ist.

[0048] Dieses Umlenkelement 41 unterstützt derart die Umsetzung der durch die aufsteigende Luftblasen erzeugten Bewegungsenergie in eine Rotationsenergie des rotierenden, mit schaufelartigen Elementen 48 versehenen rotierenden Elements 42 und derart in weiterer Folge die Erzeugung elektrischer Energie im Generator 43, welcher mit dem rotierenden Element 42 über eine Welle 47 gekoppelt ist.

[0049] Bei der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform ist ein System zur Speicherung und Abgabe von elektrischer Energie zur Durchführung eines entsprechenden Verfahrens mit einer Photovoltaikanlage einer nicht-kommerziellen, insbesondere privaten Stromerzeugungseinrichtung gekoppelt. Bei dieser Ausbildung wird Uberschussenergie einer Photovoltaikanlage 51, welche beispielsweise auf einem schematisch mit 52 angedeuteten Gebäude montiert ist, einem Kompressor 53 zugeführt, welcher über eine Zuleitung 54 Druckluft einem Druckluftspeicher 55 zur Speicherung von im Erzeugungszeitpunkt durch die Photovoltaikanlage 51 nicht benötigter Energie in Form von Druckluft zuführt. Ahnlich wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist zusätzlich ein Wärmetauscher 56 zur Nutzung der bei der Erzeugung der Druckluft entstehenden Wärmeenergie angedeutet.

[0050] Bei entsprechendem Strom- bzw. Energiebedarf wird Druckluft aus dem Druckluftspeicher 55 einem rohrförmigen Element 57 über eine Zuleitung 58 zugeführt, welches in einem schematisch mit 59 angedeuteten Wassertank bzw. -behälter 59 angeordnet ist.

[0051] Ähnlich wie bei den vorangehenden Ausführungsformen ist auch bei dem wiederum mehrteiligen rohrförmigen Element 57 zumindest im Bereich der nicht näher dargestellten Wasseroberfläche ein rotierendes Element und insbesondere über dem Umfang verteilt eine Mehrzahl derselben angeordnet, wobei wiederum die durch die aufsteigenden Luftblasen in dem rohrförmigen Element 57 erzeugte Bewegungsenergie in eine Rotationsenergie in den nicht im Detail dargestellten rotierenden Elementen und in weiterer Folge durch eine Kopplung derselben mit ebenfalls nicht näher dargestellten Generatoren in elektrische Energie umgewandelt wird, welche über eine Zuleitung 60 dem Stromnetz des Gebäudes 53 zur Verfügung gestellt wird.

[0052] Es kann somit mit konstruktiv einfachen Elementen, welche insgesamt einen hohen gesamten Wirkungsgrad bereitstellen, auch beispielsweise bei derartigen privaten Stromerzeugungseinrichtungen bzw. -anlagen eine einfache und zuverlässige Speicherung von zum Zeitpunkt einer Erzeugung beispielsweise durch eine Photovoltaikanlage 51 oder durch ein KleinWindkraftwerk erzeugter Energie vorgesehen werden, ohne aufwendige Speichereinrichtungen, wie beispielsweise Akkumulatoren zu erfordern.

Claims

Ansprüche

1. Verfahren zum Speichern und Abgeben von elektrischer Energie, insbesondere zum Ausgleichen von unterschiedlichen Belastungen eines Stromnetzes, umfassend die folgenden Schritte:

- Speichern von elektrischer Energie durch ein Komprimieren von Luft,

- Speichern der komprimierten Luft in wenigstens einem Druckluftspeicher, und

- Rückgewinnen der elektrischen Energie über wenigstens ein durch die Drucklauft aus dem Druckluftspeicher antreibbares bzw. beaufschlagbares und mit einem Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie gekoppeltes Element,

gekennzeichnet durch die folgenden zusätzlichen Schritte:

- Einbringen der Druckluft in wenigstens ein in einem Fluid, insbesondere Wasser, im Wesentlichen vertikal angeordnetes rohrförmiges Element (3, 3a, 3b, 3c, 21, 31a, 31b, 44, 57) an einem von der Fluid- bzw. Wasseroberfläche (7, 22) abgewandten Ende desselben,

- Antreiben wenigstens eines rotierenden Elements (8, 23, 34, 42) am zur Wasseroberfläche (7, 22) gewandten Ende des rohrförmigen Elements (3, 3a, 3b, 3c, 21, 31a, 31b, 44, 57) durch die im rohrförmigen Element (3, 3a, 3b, 3c, 21, 31a, 31b, 44, 57) aufsteigende Luft, und

- Umwandeln der von der im rohrförmigen Element (3, 3a, 3b, 3c, 21, 31a, 31b, 44, 57) aufsteigenden Luft erzeugten Bewegungsenergie in elektrische Energie durch ein Koppeln des rotierenden Elements (8, 23, 34, 42) mit dem Generator (9, 24, 35, 43) zur Bereitstellung von elektrischer Energie.

2, Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in an sich bekannter Weise die komprimierte Luft vor einem Einbringen in den Druckluftspeicher (6, 55) über einen Wärmetauscher (14, 56) zur Abgabe von Wärmeenergie geführt wird.

3. System zur Speicherung und Abgabe von elektrischer Energie, insbesondere zum Ausgleichen von unterschiedlichen Belastungen eines Stromnetzes, umfassend die folgenden Komponenten:

- wenigstens einen Druckluftspeicher zum Speichern der Druckluft, und

- wenigstens ein durch die Drucklauft aus dem Druckluftspeicher antreibbares bzw. beaufschlagbares und mit einem Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie gekoppeltes Element zum Rückgewinnen der elektrischen Energie,

gekennzeichnet durch die folgenden zusätzlichen Komponenten:

- wenigstens ein in einem Fluid, insbesondere Wasser, im Wesentlichen vertikal angeordnetes rohrförmiges Element (3, 3a, 3b, 3c, 21, 31a, 31b, 44, 57), in welches am von der Fluid- bzw. Wasseroberfläche (7, 22) abgewandten Ende die Druckluft einbringbar ist,

- wenigstens ein rotierendes Element (8, 23, 34, 42), welches an dem zur Wasseroberfläche (7, 22) gewandten Ende des rohrförmigen Elements (3, 3a, 3b, 3c, 21, 31a, 31b, 44, 57) angeordnet und zu einer rotierenden Bewegung durch die im rohrförmigen Element (3, 3a, 3b, 3c, 21, 31a, 31b, 44, 57) aufsteigende Druckluft antreibbar ist, und

- den mit dem rotierenden Element (8, 23, 34, 42) gekoppelten Generator (9, 24, 35, 43) zur Umwandlung der Rotationsbewegung des rotierenden Elements (8, 23, 34, 42) in elektrische Energie.

4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Druckluftspeicher (6, 55) in an sich bekannter Weise ein Wärmetauscher (14, 56) zur Abgabe von Wärmeenergie der Druckluft vorgeschaltet ist.

5. System nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass in das rohrförmige Element (3, 3a, 3b, 3c, 21, 31a, 31b, 44, 57) an dem von der Wasseroberfläche (7, 22) abgewandten Ende wenigstens eine Leitung (5, 58) zur Einbringung der Druckluft mündet.

6. System nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass am zur Wasseroberfläche gewandten Ende des rohrförmigen Elements (3, 3a, 3b, 3c, 21, 31a, 31b, 44, 57) eine Mehrzahl von rotierenden Elementen (8, 23, 34, 42) insbesondere gleichmäßig über

den Umfang des rohrförmigen Elements (3, 3a, 3b, 3c, 21, 31a, 31b, 44, 57) verteilt angeordnet ist.

7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jedes rotierende Element (8, 23, 34, 42) mit einem Generator (9, 24, 35, 43) gekoppelt ist.

8. System nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine rohrförmige Element (3, 3a, 3b, 3c, 31a, 31b) ausgehend von dem von der Wasseroberfläche abgewandten Ende mit einem sich erweiternden Querschnitt ausgebildet ist.

9. System nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das rohrförmige Element (3, 3a, 3b, 3c, 31a, 31b) von einer Mehrzahl von in Längsrichtung des rohrförmigen Elements aneinander anschließenden einzelnen rohrförmigen Elementen (3, 3a, 3b, 3c, 31a, 31b) gebildet ist.

10. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die aneinander anschließenden einzelnen rohrförmigen Elemente (31a, 31b) gelenkig bzw. relativ zueinander bewegbar miteinander gekoppelt sind.

11. System nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Zuleitungen (5, 36) für ein Einbringen der Druckluft in das wenigstens eine rohrförmige Element (3, 3a, 3b, 3c, 31a, 31b) auf unterschiedlichen Höhenniveaus entlang der Längserstreckung des rohrförmigen Elements (3, 3a, 3b, 3c, 31a, 31b) in dieses münden.

12. System nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des wenigstens einen rotierenden Elements (42) und insbesondere oberhalb der Wasseroberfläche wenigstens ein Umlenkelement (41) zum Umlenken des durch die aufsteigende Luft bewegten Wassers vorgesehen ist.

13. System nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das rotierende Element (42) mit einer Mehrzahl von Schaufeln (47) oder dgl. zum Umwandeln der durch die aufsteigende Druckluft erzeugten Bewegungsenergie in eine Rotationsenergie ausgebildet ist.

14. Verwendung eines Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 sowie eines Systems nach einem der Ansprüche 3 bis 13 zur Speicherung und Abgabe von elektrischer Energie zur an sich bekannten Integration in ein bzw. Kopplung mit einem Wasserkraftwerk, insbesondere einem Speicherkraftwerk oder Laufkraftwerk.

15. Verwendung eines Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 sowie eines Systems nach einem der Ansprüche 3 bis 13 zur Speicherung und Abgabe von elektrischer Energie zur an sich bekannten Integration in ein(e) bzw. Kopplung mit einer Photovoltaikanlage (51) und/oder einem Windkraftwerk, insbesondere einer nichtkommerziellen, privaten Stromerzeugungseinrichtung (Fig. 6)

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen