CH719516A2 - Aussendruck-Fluidspeicher für die Speicherung von Energie. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Aussendruck- Fluidspeicher (1), mit einem Innenraum (5) für die Aufnahme eines Fluids, einer äusseren, im Betrieb durch einen Aussendruck der Aussenwelt druckbeaufschlagten Wand (3), die den Innenraum (5) von der Aussenwelt fluiddicht trennt, und mit einer zwischen dem Innenraum (5) und der Aussenwelt vorgesehenen Verbindung zum wahlweisen Austausch von Fluid zwischen dem Innenraum (5) und der Aussenwelt, wobei der Innenraum (5) durch eine Schüttgutfüllung (4) gebildet wird und die Wand derart ausgebildet ist, dass sie im Betrieb einen den Druck im Innenraum (5) übersteigenden Aussendruck aufnimmt und in die Schüttgutfüllung (4) einleitet, durch die sie wiederum in ihrer Betriebsposition gegen den übersteigenden Aussendruck abgestützt wird.

Description

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Aussendruck-Fluidspeicher nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen solch eines Aussendruck-Fluidspeichers nach Anspruch 21.

[0002] Die Speicherung von Energie hat an Bedeutung gewonnen, seit erneuerbare Energie als solche vermehrt produziert werden soll. Viele der erneuerbaren Energiearten fallen wetterbedingt an (Sonne, Wind), mit der Folge, dass Produktion und Konsum zeitlich auseinanderfallen. Entsprechend macht die Bereitstellung von beispielsweise solar oder durch Wind gewonnener Energie in Form von Wärme oder Strom nur dann Sinn, wenn eine Zwischenspeicherung möglich ist, solange, bis der Energiekonsument Energie benötigt, oder solange, während eine wetterbedingt ungenügenden Energieproduktion anhält.

[0003] Für die Speicherung von Wärme sind thermische Speicher bekannt geworden, für die Speicherung von Strom beispielsweise Pumpspeicherwerke oder Druckspeicher, wobei in den Pumpspeicherwerken der Strom benutzt wird, um Wasser auf ein höheres Niveau zu pumpen, dass in Zeiten von fehlendem Strom dann Generatoren zur Produktion von Strom antreiben kann. In Druckspeichern wird ein kompressibles Fluid, beispielsweise Luft, durch stromgetriebene Kompressoren verdichtet und in einem Druckbehälter verdichtet gelagert, bis bei strombedarf das verdichtete Fluid Turbinen antreiben kann, welche mit Generatoren gekoppelt sind, so dass wiederum Strom auf Abruf produzierbar ist, mithin Energie für eine Zeitspanne gespeichert worden ist.

[0004] Die Energiespeicherung im industriellen Massstab ist technisch anspruchsvoll und teuer, mit der Ausnahme von z.B. Pumpspeicherwerken weitgehend auch technisches Neuland.

[0005] Die Speicherung von Energie durch ein komprimiertes Gas ist als CAES (Compressed Air Energy Storage) bekannt geworden. Dabei fällt jedoch durch die Kompression des zu speichernden Gases eine relevante Menge an Wärme an, die separat gespeichert werden muss, soll sie nicht während der Zeit der Speicherung des komprimierten Gases schleichend durch die Wände des Hochdruckspeichers verloren gehen - hier fällt ins Gewicht, dass der notwendige Speicherdruck für eine effiziente Druck-Energiespeicherung über 50 bar, bis gegen 100 bar erreichen sollte, damit aber die Erwärmung des Fluids 500 C oder mehr über der Umgebungstemperatur erreichen kann. Dazu kommt, dass es technisch äusserst anspruchsvoll ist, geeignete Druckspeicher zur Aufnahme des notwendigen Innendrucks zu bauen, selbst wenn die Wärme separat gespeichert wird.

[0006] Zur Vermeidung solcher signifikanten Nachteile der an sich wünschenswerten Druckspeicherung sind Überlegungen bekannt geworden, die Druckspeicher unter Wasser anzuordnen, um den Druck der auf dem Speicher lastenden Wassersäule zur Aufnahme des notwendigen Innendrucks zu nutzen. Wird also ein kompressibles Fluid an Land oder auf der Wasseroberfläche komprimiert und in einen unter Wasser in einigen hundert Metern Tiefe angeordneten Hochdruck-Energiespeicher gepumpt, entfällt eine Druckdifferenz zwischen dem Innendruck und dem Aussendruck weitgehend, womit auch eines der Hauptprobleme der CAES (die Druckspeicherkonstruktion) entfällt - jedoch immer noch eine separate Wärmespeicherung an der Wasseroberfläche notwendig ist, und auch die Hochdruckleitungen zu den Druckspeichern im Wasser im Hinblick auf die Konstruktion und den verlustreichen Strömungswiderstand als Probleme verbleiben.

[0007] Hier wiederum ist das Projekt StEnSEA (Stored Energy in the SEA) für Tiefseespeicher bekannt geworden, in dem vorgeschlagen wird, unter Wasser Druckkörper anzuordnen, in denen eine stromgetriebene Pumpenturbine vorgesehen ist. Im entladenen Zustand ist der Druckkörper bis auf eine Restluftblase geflutet, das in ihm enthaltene Wasser und die Restluftblase weist den Aussendruck des umgebenden Wassers auf. Zur Beladung des Druckspeichers wird durch an der Wasseroberfläche produzierten Strom die Pumpenturbine als Pumpe betrieben, die das im Druckkörper enthaltene Wasser aus diesem entgegen dem Aussendruck hinauspumpt. Zu Beginn ist der Innendruck gleich dem Aussendruck, mit fortschreitender Beladung expandiert entsprechend dem hinausgepumpten Wasservolumen die Gasblase im Druckkörper, womit der Innendruck entsprechend dem hinausgepumpten Wasservolumen fällt, dadurch die Druckdifferenz zum Aussendruck und wiederum die notwendige Pumparbeit steigt. Es wird solange durch die Pumpe Energie aufgenommen, bis die vorgesehene Wassermenge aus dem Druckkörper hinausgepumpt worden und dieser geleert ist. Damit ist der StEnSEA Druckspeicher geladen.

[0008] Soll der StEnSEA Druckspeicher entladen werden, wird unter Aussendruck stehendes Umgebungswasser über die nun als Turbine betriebene Pumpenturbine in den geleerten, einen geringen Innendruck aufweisenden Druckkörper hineingelassen, wobei die Turbine nun Strom generiert, der an die Wasseroberfläche geliefert wird. Der der StEnSEA Druckspeicher entlädt sich dabei und ist, sobald wieder mit Umgebungswasser geflutet, entladen.

[0009] Entsprechend herrscht im geladenen der StEnSEA Druckspeicher ein gegenüber dem Aussendruck erheblich kleinerer Innendruck, wobei die Druckdifferenz mit der Menge der gespeicherten Energie steigt. Bei der vorgeschlagenen Wassertiefe ab 500 m bis zu 700 m und einem Durchmesser des kugelförmigen Druckspeichers von beispielsweise 30 m ist der als Betonkonstruktion ausgebildete Druckkörper teuer, beispielsweise sind für die vorgesehene Druckdifferenz von 50 bis 70 bar Wände des Druckspeichers von 2,5 m oder mehr notwendig. Für einen vorgesehene 20 MWh der StEnSEA Druckspeicher sind wohl über $ 3'000'000 pro MWh Speicherkapazität aufzuwenden, was nicht finanzierbar ist. Das Projekt ist über die Konzeptphase hinaus nicht weiterverfolgt worden.

[0010] Mit anderen Worten ist es so, dass nun über die elektrische Unterwasser-Pumpenturbine die CAES Wärmespeicherung an der Wasseroberfläche und Druckleitungen in die Tiefe vorteilhaft entfallen, dafür aber an Stelle eines CAES Innendruckspeichers ein Aussendruck-Fluidspeicher für eine Energiespeicherung gemäss STEnSEA vorgesehen werden muss, dessen Kosten prohibitiv für einen wirtschaftlichen Einsatz sind.

[0011] Entsprechend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen wirtschaftlich einsetzbaren Aussendruck-Fluidspeicher vereinfachter Konstruktion zu schaffen, der für eine Unterwasser-Energiespeicherung mit geringem Innendruck geeignet ist.

[0012] Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 22.

[0013] Dadurch, dass der Aussendruck-Fluidspeicher neben der fluiddichten Wand eine Schüttgutfüllung aufweist, die seinen Innenraum bildet, ist er über diese ohne Weiteres auch in grossen Tiefen genügend druckresistent. Da sich die Wand bei gegenüber dem Aussendruck tieferem Innendruck (geladener Zustand) an der Schüttgutfüllung abstützt, muss sie nicht druckresistent sein und kann, obschon fluiddicht, vereinfacht und kostengünstig ausgebildet werden. Die druckresistente Schüttgutfüllung selbst wiederum ist kostengünstig und bietet in den in ihr vorhandenen Zwischenräumen genügend Speicherplatz für ein Fluid wie beispielsweise Luft und Wasser.

[0014] Dadurch, dass in einer Ausführungsform eine Skelett-Anordnung für die äussere Formgebung der Schüttgutfüllung vorgesehen wird, können über die gestellte Aufgabe hinaus nicht nur kleinere oder auf wenige Gestalten reduzierte Aussendruck-Fluidspeicher realisiert werden, bei denen die Wand selbst genügt, das Schüttgut zusammenzuhalten. Es können mit einer Skelett-Anordnung auch beliebig grosse oder beliebig geformte Fluidspeicher vorgesehen werden, da die Skelett-Anordnung die Masse des Schüttguts gegen die Wirkung der Gravitation (die von der Tiefe unabhängig ist) in der vorgesehen betriebsfähigen Gestalt oder Form hält und ein gravitationsbedingtes Verfliessen des Schüttguts verhindert.

[0015] Dadurch, dass die Wand und eine Skelett-Anordnung über einem pneumatischen Körper aufgebaut wird, können Wand und Skelett-Anordnung einfach hergestellt werden, wobei diese Bauweise erlaubt, die fertige Wand/Skelettanordnung zuerst ins Wasser zu bringen und erst dort mit Schüttgut zu füllen. Soweit werden an die Druckfestigkeit der Wand wiederum nur geringe, gravitationsbedingte und mit der Tiefe nicht höher werdende Anforderungen gestellt, da die Wand und die Skelett-Anordnung an Land im Wesentlichen nur eigenstabil sein müssen, weil sie dort die schwere Schüttgutfüllung noch nicht tragen. Im Wasser wiederum müssen die Wand und die Skelett-Anordnung bloss die äussere betriebsfähige Form der nun eingefüllten Schüttgutfüllung aufrechterhalten, nur entgegen der Wirkung der um den Auftrieb reduzierten Gravitation, und nicht im Hinblick auf die grossen Druckkräfte in der Tiefe.

[0016] Im Ganzen nimmt erfindungsgemäss die Schüttgutfüllung den auf dem Aussendruck-Fluidspeicher lastenden Druck auf, während dessen Wand fluiddicht ist, um die Speicherung von Fluid (z.B. neben Wasser auch Luft) zu ermöglichen und zusätzlich die Schüttgutfüllung entgegen der auf sie wirkenden Gravitation in ihrer betriebsfähigen Gestalt zu halten. Dadurch erübrigt sich eine druckresistente Wand, mit der Folge, dass diese einfach und kostengünstig herstellbar ist. Wird zusätzlich eine Skelett-Anordnung vorgesehen, welche die betriebsfähige Gestalt der Schüttgutfüllung wenigstens unterstützt, kann die Wand entsprechend noch einfacher ausgebildet werden.

[0017] Weitere bevorzugte Ausführungsformen weisen die Merkmale der abhängigen Ansprüche auf.

[0018] Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren noch etwas näher beschrieben.

[0019] Es zeigt: Figur 1 schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemässen Aussendruck-Fluidspeichers in einem Querschnitt Kugel Figur 2 schematisch eine weitere eine Ausführungsform eines erfindungsgemässen Aussendruck-Fluidspeichers in einem Querschnitt Zyllinder Figur 3 a bis 3e schematisch eine vergleichende Ansicht der Betriebszustände eines erfindungsgemässen Aussendruck-Fluidspeichers, Figur 4a bis 4e schematisch eine vergleichende Ansicht der Betriebszustände eines erfindungsgemässen Aussendruck-Fluidspeichers mit Schnorchel, Figur 5a bis 5d schematisch das Herstellverfahren für einen erfindungsgemässen Aussendruck-Fluidspeicher, und Figur 6 ein Diagramm mit einer Kostenabschätzung.

[0020] Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines kugelförmigen Aussendruck-Fluidspeichers 1, der auf dem Meeresgrund 2 in beispielsweise 800 m Tiefe positioniert ist (ein Fundament ist zur Entlastung der Figur weggelassen und kann durch den Fachmann leicht realisiert werden). Eine fluiddichte Wand 3 umgibt den Körper des Aussendruck-Fluidspeichers 1 und umschliesst eine Schüttgutfüllung 4, die durch ihr kugelförmiges Volumen einen kugelförmigen Innenraum 5 des Aussendruck-Fluidspeichers 1 bildet. Unten im Aussendruck-Fluidspeichers 1 ist eine Gerätekammer 6 mit einer Pumpenturbine 7 angeordnet, wobei die Gerätekammer 6 über einen zentralen Fluidkanal 8 durch die Wand 3 hindurch mit der Aussenwelt - hier das umgebende Meer 9 - verbunden ist.

[0021] Die Pumpenturbine 7 ihrerseits ist betriebsfähig beispielsweise über die Leitungen 10 einerseits mit dem Innenraum 5 und damit der Schüttgutfüllung 4 und über den Fluidkanal 8 mit der Aussenwelt 9 verbunden. Damit weist der Aussendruck-Fluidspeichers 1 durch die Leitungen 10, die Gerätekammer 6 und den Kanal 8 eine Verbindung zwischen dem Innenraum 5 und der Aussenwelt, hier dem Meer 9 auf. Es versteht sich von selbst, dass durch die Pumpenturbine 7 oder durch ein in der Verbindung zwischen dem Innenraum 5 und dem Meer 9 vorgesehenes Ventil (das zur Entlastung der Figur nicht eingezeichnet ist) die Verbindung unterbrochen werden kann, so dass der Innenraum 5 vom Meer 9 getrennt ist.

[0022] Schliesslich ist die Pumpenturbine 7 mit einer Stromleitung 11 versehen, die zur Wasseroberfläche führt und von einer dortigen Installation aus der Pumpenturbine 7 im Pumpenmodus Strom zuführen und im Turbinenmodus Strom zur Installation abführen kann. Wie oben erwähnt, kann so beispielsweise solar oder durch Windkraft erzeugter Strom zum Antrieb der Pumpenturbine 7 im Pumpenmodus verwendet werden, während durch der Pumpenturbine 7 im Turbinenmodus Strom an die Wasseroberfläche oder an Land zu einer geeigneten Installation für die Verwertung des Stroms geliefert werden kann. Es sei angemerkt, dass die Pumpenturbine 7 (samt der Gerätekammer 6 und der darin vorgesehenen Installationen) grundsätzlich nicht zwingend im, sondern auch neben dem Aussendruck-Fluidspeicher 1 (und damit in der Aussenwelt) angeordnet werden kann.

[0023] Das Schüttgut 4 weist beispielsweise Grobsand, Kies, Schotter und/oder gebrochene Steine etc. auf. Grundsätzlich kommen alle schüttfähigen Materialien in Frage, deren Partikel für die vorgesehene Tiefe des Aussendruck-Fluidspeichers 1 genügend druckfest sind (s. dazu unten). Der Natur der Sache nach befinden sich zwischen den Schüttgutpartikeln Lücken, die zwar in einem zweidimensionalen Schnitt nur wenig miteinander verbunden sein mögen, aber in allen drei Dimensionen derart zusammenhängen, so dass das Schüttgut 4 von einem Fluid, sei dies Luft oder Meerwasser, leicht vollständig, d.h. über alle Bereiche des Schüttguts, durchströmt werden kann. Beispielsweise bei Kies liegt das Volumen der Lücken zwischen den Schüttgutpartikeln bei ca. 30 % des vom Schüttgut eingenommenen Volumens, so dass das Fluidspeichervolumen des Aussendruck-Fluidspeichers 1 im Fall einer aus Kies bestehenden Schüttgutfüllung 4 und einem Radius von 10 m ca. 1250 m<3>beträgt. Der Strömungswiderstand ist grundsätzlich für den vorliegenden Zweck akzeptabel klein, steigt aber an, je feiner das Schüttgut ist, bzw. je kleiner die einzelnen Partikel sind. Bevorzugt wird deshalb der Fachmann wenigstens Grobsand, d.h. eine Sandfüllung mit vergleichsweise grossen Sandkörnern, d.h. im konkreten Fall akzeptablem Strömungswiderstand verwenden, oder ein Schüttgut mit noch grösseren Partikeln. Vorliegend wird Sand als Grobsand angesehen, wenn seine durchschnittliche Korngrösse in einem Bereich von 6 mm oder mehr liegt.

[0024] Im Fall des oben genannten Radius von 10 m besitzt eine Schüttgutfüllung aus Kies eine Masse von ca. 6'800 t, wobei der Auftrieb ca. 2'800 t beträgt. Auch unter Wasser hat das Schüttgut damit noch beträchtliches Gewicht von ca. 4'000 t, muss aber mechanisch in seiner vorgesehenen, betriebsfähigen äusseren Gestalt (hier eine Kugel) gehalten werden, da Schüttgut, als Aufschüttung von zwar ineinander verkeilten, aber doch losen Partikeln der Natur der Sache nach durch die Gravitation dazu neigt, aus einem vorgegebenen Volumen bzw. aus einer äusseren Form oder Gestalt nach und nach zu einem Schüttgutkegel zu verfliessen.

[0025] Je nach der Grösse oder der äusseren Form des Aussendruck-Fluidspeichers und je nach der Ausbildung der Wand kann die äussere Gestalt der Schüttgutfüllung durch die Wand selbst definiert und aufrechterhalten werden. Das ist etwa der Fall bei nur kleinen Aussendruck-Fluidspeichern, bei denen die Beanspruchbarkeit der Wand durch den Verfliess-Druck des Schüttguts nicht überschritten wird, oder wenn die äussere Form schon in der Art eines Schüttgutkegels aufgebaut ist, also beispielsweise keine Überhänge. sondern sich gegen unten verbreiternde Seitenwände aufweist.

[0026] Es kann aber auch zusätzlich zur Wand 3 eine Skelett-Anordnung verwendet werden, die in der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform als Zwischenschicht 12 ausgebildet ist und die Schüttgutfüllung 4 bzw. den Innenraum 5 umschliesst. Die Skelett-Anordnung wirkt damit der Gravitation entgegen und verhindert (je nach der Ausbildung der Wand 3 mit dieser zusammen), dass Schüttgut 4 seitlich oder nach unten abrutscht und sich so das Schüttgut 4 auf dem Meeresgrund 2 unerwünscht ausbreitet. Es ergibt sich, dass der Aussendruck-Fluidspeicher 1 bevorzugt (aber nicht notwendigerweise) eine Skelett-Anordnung für die Formgebung der betriebsfähigen, äusseren Form der Schüttgutfüllung 4 aufweist.

[0027] In der gezeigten Ausführungsform ist die Skelett-Anordnung als steife Zwischenschicht 12 in der Art einer Kugelschale ausgebildet. Im konkreten Fall kann sie der Fachmann aber auch auf beispielsweise eine untere Schale beschränken, welche die die Schüttgutfüllung 4 soweit lagert und soweit über ihre Höhe umfasst, dass sie ihre äussere Soll-Gestalt (gegebenenfalls in Verbindung mit der Wand) nicht ändert. Es ergibt sich, dass Aussendruck-Fluidspeicher 1 bevorzugt eine zwischen der Wand 3 und der Schüttgutfüllung 4 vorgesehene, steife Zwischenschicht aufweist, welche die Schüttgutfüllung 4 wenigstens soweit umschliesst, dass sie ihre betriebsfähige äussere Form unter der Wirkung der Gravitation beibehält. Bevorzugt besteht die als Zwischenschicht 12 ausgeführte Skelett-Anordnung aus Spritzbeton, der sich für die Herstellung einer dreidimensional gekrümmten flächigen Zwischensicht gut eignet. Es sei hier angemerkt, dass in einer in der Figur nicht dargestellten Ausführungsform die Skelett-Anordnung auch als beispielsweise die Schüttgutfüllung umspannendes Stahlnetz oder als Verbund einer dünnen Zwischenschicht mit einem Stahlnetz etc. ausgebildet werden kann.

[0028] Figur 1 zeigt insbesondere, dass der Innenraum 5 des Aussendruck-Fluispeichers 5 durch die Schüttgutfüllung 4 gebildet ist.

[0029] Im Betrieb wird, wie oben zum STEnSEA Projekt erwähnt und z.Bsp.in Figur 3a bis e im Detail gezeigt, der Aussendruck-Fluidspeicher 1 in einer Ausführungsform bis auf eine Restluftblase 15 auf einen oberen Füllstand 16 des Innenraums 5 bzw. der Schüttgutfüllung 4 mit Meerwasser geflutet, so dass deren Zwischenräume bzw. der Innenraum 5 bis auf das Volumen der Restluftblase 15 mit Wasser gefüllt sind (die Schüttgutfüllung 4 erstreckt sich natürlich auch durch das Volumen der Restluftblase 15). Wird während dem Betrieb des Aussendruck-Fluidspeichers 1 Wasser durch die Pumpenturbine 7 aus dem Innenraum 5 hinausgepumpt, z.B. bis auf einen unteren Füllstand 17, vergrössert sich das Luftvolumen entsprechend, wobei dessen Druck, und damit der Druck im Innenraum 5 bzw. der Schüttgutfüllung 4, mit der Volumenzunahme fällt.

[0030] Besitzt die Restluftblase 15 dank der Flutung den Druck des umgebenden Meerwassers 9, in den genannten 800 m Tiefe 80 bar, beträgt der Innendruck im Innenraum 5 bzw. der Schüttgutfüllung 4 ebenso 80 bar. Wird durch Stromzufuhr über die Stromleitung 11 durch die Pumpenturbine 7 Wasser aus dem Innenraum 5 bzw. der Schüttgutfüllung 4 bis zu einem unteren Füllstand 17 hinausgepumpt, fällt der Innendruck laufend und beträgt z.B. 1 bar, sobald der untere Füllstand 17 erreicht ist. Die Druckdifferenz zwischen dem konstanten Aussendruck von 80 bar und dem Innendruck steigt dann auf maximal 79 bar.

[0031] Je nach der konkreten Auslegung des Aussendruck-Fluidspeichers 1 (Operationstiefe, d.h. Wassertiefe am Ort des Fluidspeichers 1, oberer 16 und unterer Füllstand 17 etc.) erreicht diese maximale Druckdifferenz einen spezifischen Wert und wird vorliegend der vorbestimmte maximale Betriebsdifferenzdruck genannt, im Gegensatz zu einem aktuellen Betriebsdifferenzdruck, wie er vorliegt, wenn der aktuelle Füllstand des Innenraums 5 in einer allgemeinen Betriebsphase zwischen dem minimalen 17 und maximalen Füllstand 16 liegt. Allgemein wird mit dem vorbestimmten maximalen Betriebsdifferenzdruck der maximale herrschende Differenzdruck bezeichnet, wie er im geladenen Zustand eines erfindungsgemässen Aussendruck-Fluidspeichers herrscht.

[0032] Die Wand 3 trennt den Innenraum 5 bzw. die Schüttgutfüllung 4 fluiddicht von der Aussenwelt (hier dem Meer 9), so dass die Restluftblase oder generell ein im Aussendruck-Fluidspeicher vorhandenes Gasvolumen im Innenraum 5 gefangen bleibt und das in diesem befindliche Wasser über den Fluidkanal 8 hinaus gepumpt und durch den Betriebsdifferenzdruck wieder hineingepresst werden kann. Dadurch wird die Wand 3 vom Aussendruck, hier vom Druck des Meers 9, druckbeaufschlagt, mit einer Grösse gemäss dem aktuellen Betriebsdifferenzdruck, der bis zum maximalen vorbestimmten Betriebsdifferenzdruck reicht. Die Wand 3 ist nun nicht ausgelegt, dem vorbestimmten maximalen Betriebsdifferenzdruck standzuhalten, ist diesem gegenüber also nicht druckfest, sondern wird entsprechend durch den Aussendruck an die in der dargestellten Ausführungsform als Zwischenschicht 12 ausgebildete Skelett-Anordnung gepresst.

[0033] Ebenso ist die Zwischenschicht 12 auch nicht ausgelegt, dem vorbestimmten maximalen Betriebsdifferenzdruck standzuhalten, ist diesem gegenüber also auch nicht druckfest, sondern wird ihrerseits durch die Wand 3 an die Schüttgutfüllung 4 gepresst (der Zweck der Zwischenschicht 12 liegt ja in der Formgebung der Schüttgutfüllung 4 und damit des Innenraums 5).

[0034] Die Schüttgutfüllung 4 wiederum ist ihrer Natur nach druckresistent und damit druckfest, kollabiert unter dem vorbestimmten maximalen Betriebsdifferenzdruck nicht, und stützt damit über die Zwischenschicht 12 die Wand 3 (die beide sonst dem Druck nachgeben und kollabieren würden).

[0035] Im Ganzen ist damit die Wand derart ausgebildet, dass sie im Betrieb einen durch die Differenz eines Aussendrucks zu einem Innendruck gegebenen, vorbestimmten maximalen Betriebsdifferenzdruck aufnimmt und (hier über die Skelett-Anordnung) in die Schüttgutfüllung einleitet, durch die sie wiederum in ihrer Betriebsposition gegen den übersteigenden Aussendruck abgestützt wird.

[0036] Dadurch kann der Fachmann sich bei der Auslegung der Wand 3 und der Zwischenschicht 12 auf die Fluiddichtigkeit und Formgebung für die Schüttgutfüllung 4 beschränken, während die im Stand der Technik unumgängliche Druckfestigkeit für den vorbestimmten maximalen Betriebsdifferenzdruck entfällt. Im Hinblick auf die für eine grosse Energiespeicherkapazität wünschenswert grosse Operationstiefe ist dies entscheidend für eine einfache und kostengünstige Konstruktion sowohl der Wand 3 als auch einer hier als Zwischenschicht 12 ausgebildeten Skelett-Anordnung.

[0037] Je nach dem verwendeten Schüttgut 4 und je nach der Operationstiefe, in der sich der Aussendruck-Fluidspeicher 1 befindet, kann die Schüttgutfüllung 4 beim Aufbau des vorbestimmten, maximalen Betriebsdifferenzdrucks leicht deformieren, indem sich die Schüttgutpartikel vor allem an der Oberfläche der Schüttgutfüllung 4 zwar nur gering, aber doch etwas verschieben, bis die gegenseitige Verkeilung der Schüttgutpartikel überall genügend hoch ist, um eine weitere Verschiebung der Schüttgutpartikel zu verhindern. Damit kann sich lokal die Auflagefläche für die Wand 3 bzw. die Zwischenschicht 12 ebenfalls etwas verändern und deshalb ebenso die abstützende Wirkung der Schüttgutfüllung 4 für die Zwischenschicht 12 und, durch diese hindurch, für die Wand 3.

[0038] Da die beispielsweise aus Spritzbeton bestehende Zwischenschicht 12 steif und unter dem vorbestimmten maximalen Betriebsdifferenzdruck (gewollt) nicht druckfest ist, bildet sie während dem ersten Aufbau des maximalen vorbestimmten Betriebsdifferenzdrucks Risse aus und bricht, wobei nun deren Bruchstücke durch eine leichte gegenseitige Lageänderung einer Verschiebung der Oberfläche der Schüttgutfüllung 4 bzw. des Innenraums 5 folgen können und in einer neuen Lage stabil sind. Diese Stabilität in der neuen Lage kann beispielsweise durch eine leichte, auf eine Verformung ausgelegte Stahlbewehrung der Zwischenschicht 12 unterstützt werden, auch durch die Wand 3, welche die Bruchstücke in einer zwischen ihr und der Schüttgutfüllung eingeklemmten Lage so hält, dass sich die Bruchstücke gegenseitig fixieren. Nach wie vor kann also die Zwischenschicht 12, wenn nötig in Verbindung mit der Wand 3, die äussere Form der Schüttgutfüllung 4 aufrechterhalten. Die Operationstiefe und damit der maximale Betriebsdifferenzdruck, auch wenn er zum Bruch der Zwischenschicht 12 führt, ist nach wie vor nicht relevant, mit der Ausnahme, dass die Wand 3 dann auch für eine gebrochene Zwischenschicht 12 ausgelegt werden muss, was aber im Vergleich zum Aufwand für eine Druckfestigkeit unter dem vorbestimmten maximalen Betriebsdifferenzdruck belanglos ist.

[0039] Die fluiddichte Wand 3 ist nun beispielsweise elastisch oder plastisch verformbar oder mit Gelenken ausgebildet, derart, dass sie nach wie vor an der Zwischenschicht 12, bzw. nun an deren leicht lageveränderten Bruchstücken anliegt und so weiterhin den vorbestimmten maximalen Betriebsdifferenzdruck über die Bruchstücke in die Schüttgutfüllung 4 einleitet. Die Wand 3 kann z.B. bevorzugt beispielsweise als flexible, den Innenraum 5 bzw. die Schüttgutfüllung 4 umschliessende Haut ausgebildet sein. Besonders bevorzugt weist dabei wenigstens ein Bereich der Wand eine Kunststofffolie, ein Kunststoffgewebe und/oder einen flächigen Blechabschnitt auf. Ganz bevorzugt wird die Wand 3 vollständig durch eine verformbare Kunststofffolie oder ein Kunststoffgewebe gebildet. Da die Bruchgrenzen von Spritzbeton wenig scharfkantig sind, sondern an den Bruchkanten der Rundung des verwendeten Zuschlagsstoffs wie etwa Sand folgen, können in Verbindung mit einem entsprechend ausgewählten Spritzbeton durchaus handelsübliche Kunststofffolien verwendet werden. Der Fachmann kann im konkreten Fall einen geeigneten Spritzbeton in Verbindung mit einer geeigneten Folie leicht bestimmen. Bevorzugt ist es damit so, dass die Wand 3 verformbar ausgebildet ist, derart, dass sie unter dem vorbestimmten Betriebsdifferenzdruck einer druckbedingten Verschiebung des abstützenden Schüttguts 4 fluiddicht nachfolgen kann.

[0040] Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass die oben im Zusammenhang mit der Zwischenschicht 12 beschriebenen bevorzugten Merkmale nicht an das Vorliegen einer Zwischenschicht 12 oder einer Skelett-Anordnung überhaupt gebunden sind, sondern auch vorteilhaft wirken, wenn die Wand direkt auf dem Schüttgut aufliegt.

[0041] Da Beton generell hoch druckbelastbar ist, ist die bevorzugt Spritzbeton aufweisende Zwischenschicht 12 unter dem Betriebsaussendruck, d.h. dem herrschenden Wasserdruck am Ort des Aussendruck-Fluidspeichers 1, vom Material als solchem her druckfest. Dies ist vorteilhaft, da sich dann die notwendige Verschiebung der verformbaren Wand 3 auf die Verschiebung der Bruchstücke der Zwischenschicht 12 beschränkt und sich nicht noch zusätzlich durch eine Volumenänderung des gebrochenen Materials der Zwischenschicht vergrössert wird.

[0042] Generell ergibt sich damit für einen erfindungsgemässen Aussendruck-Fluidspeicher, dass bevorzugt die Wand 3 selbst gegenüber einem vorbestimmten maximalen Betriebsdifferenzdruck zwischen dem Aussendruck und dem Druck im Innenraum 5 nicht druckfest, aber durch die Abstützung an der Schüttgutfüllung 4 druckfest ausgebildet ist. Wie oben erwähnt, bedeutet nicht druckfest, dass die Wand 3 dem Betriebsdifferenzdruck nicht widerstehen kann, sondern für sich allein kollabieren würde. Druckfest durch Abstützung an der Schüttgutfüllung 4 bedeutet, dass die Wand 3, anliegend an der druckresistenten Schüttgutfüllung 4, unter dem vorbestimmten, maximalen Betriebsdifferenzdruck nicht kollabiert, d.h. ihre betriebsfähige Gestalt behält und auch fluiddicht bleibt. Ob diese Abstützung über eine unversehrte oder zerbrochene Zwischenschicht 12 oder direkt, ohne Zwischenschicht 12 bzw. ohne Skelett-Anordnung, erfolgt, ist unerheblich.

[0043] Damit kann die Auslegung des Aussendruck-Fluidspeichers grundsätzlich unabhängig von der vorgesehenen Operationstiefe erfolgen und erlaubt, wie oben erwähnt, eine einfache und kostengünstige Konstruktion selbst dann, wenn sich die Schüttgutfüllung je nach Schüttgut und Operationstiefe etwas deformieren sollte. Die Wand und, wenn vorgesehen, die Skelett-Anordnung, werden im Hinblick auf die Formgebung des Schüttguts und eine eventuelle Tiefendeformation des Schüttguts dimensioniert, jedoch nicht im Hinblick auf die Operationstiefe selbst.

[0044] Mit anderen Worten ist erfindungsgemäss die Wand derart ausgebildet, dass sie im Betrieb einen den einen den Druck im Innenraum übersteigenden Aussendruck aufnimmt und in die Schüttgutfüllung einleitet, durch die sie wiederum in ihrer Betriebsposition gegen den übersteigenden Aussendruck abgestützt wird.

[0045] Figur 2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Aussendruck-Fluidspeichers 20 der im Unterschied zur Ausführungsform nach Figur 1 eine zylinderförmige Schüttgutfüllung 21 und eine Skelett-Anordnung mit Formelementen aufweist, die als bevorzugt aus Stahl bestehende Ringe 22 ausgebildet sind. Die Schüttgutfüllung 21 ist in eine flexible Wand 23 gehüllt, auf der wiederum, senkrecht und im Abstand übereinander angeordnet, die Ringe 22 aufsitzen, derart, dass die zylindrische Form der Schüttgutfüllung 21 bewahrt wird. Wie in der Ausführungsform nach Figur 1 bildet die Schüttgutfüllung 21 den Innenraum 24 des Aussendruck-Fluidspeichers 20.

[0046] Die Wand 23 ist bevorzugt als Polyester/PVC Gewebe ausgebildet. Ein zentraler Fluidkanal 8 besitzt eine Gerätekammer 6, in welcher wiederum, wie in der Ausführungsform nach Figur 1, eine Pumpenturbine 7 angeordnet ist, die mit der Schüttgutfüllung 21 in betriebsfähiger Verbindung steht. Es ergibt sich, dass bevorzugt die Skelett-Anordnung Formelemente aufweist, die weiter bevorzugt an der Aussenseite der Wand angeordnet sind. Ganz bevorzugt sind die Formelemente als Ringe 22 ausgebildet.

[0047] Bei der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform liegt die Wand 23 direkt auf dem Schüttgut auf, so dass der aktuelle und der vorbestimmte maximale Betriebsdifferenzdruck direkt, ohne Zwischenschicht 12 (Figur 1) in die Schüttgutfüllung eingeleitet wird, die wiederum die Wand 23 in ihrer Betriebsposition gegenüber dem aktuellen bis hin zum vorbestimmten, maximalen Betriebsdifferenzdruck abstützt. Die Ringe 22 liegen über der Wand 23 und verhindern so ein Ausbauchen der zylinderförmigen Gestalt der Schüttgutfüllung 21 über ihre Höhe.

[0048] Hingegen ist es so, dass sich die Wand 23 jeweils zwischen zwei übereinanderliegenden Ringen 22 ausbaucht, was durchaus gewollt ist: die Zugbeanspruchung in der Wand 23 ist damit vergleichsweise klein, da sie vom Radius der Ausbauchung abhängt, insbesondere dann, wenn das Schnittmuster der Wand 23 derart bemessen ist, dass die Ausbauchung im Querschnitt einen Kreisbogen bis hin zu einem Halbkreis bildet. Der Fachmann kann also die Zugbeanspruchung in der zylindrischen Seitenwand durch den Abstand der benachbarten Ringe 22 und durch das Schnittmuster der Wand 23 klein halten, was die Anforderung an das Material der Wand 23 entsprechend reduziert und sich in geringen Kosten für die Wand 23 niederschlägt. Es sei hier angemerkt, dass die Bodenfläche 25 und die Deckfläche 26 der Wand 23, eingespannt in den untersten und den obersten Ring 22, dank ihrer Lage praktisch nicht oder nur lokal durch Zug beansprucht sind.

[0049] Aus Figur 2 ist ersichtlich, dass sich bei der zylinderförmigen Gestalt des Schüttgutfüllung 21 bzw. des Innenraums 24 bis auf die Ausbauchungen das gesamte Schüttgut über seiner Grundrissfläche befindet, so dass die von der Wand 23 aufzunehmenden Seitenkräfte für die Bewahrung der zylindrischen Form minimal sind, was wiederum die Ausbildung der Wand 23 und der Formringe 22 vereinfacht.

[0050] Das Funktionsprinzip des Aussendruck-Fluidspeichers 20 ist gleich wie dasjenige des Fluidspeichers nach Figur 1. Ebenso können alle erfindungsgemässen Ausführungsformen eines Aussendruck-Fluidspeichers eine Abmessung aufweisen, die grösser ist als 5m, bevorzugt grösser ist als 10 m, ganz bevorzugt 15 m und besonders bevorzugt grösser ist als 20 m. Dabei kann weiter die Abmessung ein Radius und/oder eine Höhe sein, beispielsweise der Kugelradius der Ausführungsform nach Figur 110 m oder mehr, der Radius und die Höhe der Ausführungsform nach Figur 2 je 15 m. Weiter bevorzugt liegt dann der Radius der Ausbauchung zwischen zwei Ringen 22 im Bereich von 1 m. Die Innenräume 5 (Figur 1) oder 24 (Figur 2) können wie dargestellt kugelförmig oder zylinderförmig, aber auch würfelförmig sein oder noch eine andere Geometrie aufweisen.

[0051] Wie bei der Ausführungsform gemäss Figur 1 weist der Aussendruck-Fluidspeicher 20 eine Pumpenturbine 7 auf, die mit der Verbindung zum wahlweisen Austausch von Fluid (Leitungen 10, Gerätekammer 6, Kanal 8) betriebsfähig in Verbindung steht. Ebenso kann aber auch die Pumpenturbine 7 ausserhalb des Speichers 20 angeordnet werden.

[0052] Es ergibt sich ein Aussendruck-Fluidspeicher 20 dessen Innenraum 24 eine zylindrische Struktur aufweist, und der bevorzugt über seine Höhe eine Anzahl Formringe 22 aufweist, mit einem gemeinsamen Radius, die über einer flexiblen Wand 23 liegen, und wobei im Innenraum 24 ein als Verbindung zum wahlweisen Austausch von Fluid ausgebildeter Vertikalkanal 8 vorgesehen ist, in welchem eine Pumpenturbine 7 angeordnet ist.

[0053] Die Figuren 3 a bis 3e zeigen schematisch die verschiedenen Betriebszustände eines auf dem Meeresgrund 2 betriebsfähig positionierten Aussendruck-Fluidspeichers 1, der in einer Ausführungsform gemäss Figur 1 realisiert ist, jedoch im konkreten Fall generell auch mit anderer Gestalt bzw. auch anderen bevorzugten Merkmalen realisiert werden kann.

[0054] Figur 3a zeigt den Aussendruck-Fluidspeicher 1 im Betriebszustand „Entladen“: der Innenraum 5 bzw. die Schüttgutfüllung 4 ist bis auf eine Restluftblase 15 geflutet, der Innendruck entspricht dem Aussendruck von 80 bar (bei der in der Beschreibung zu Figur 1 angenommenen Operationstiefe von 800 m). Der aktuelle Betriebsdifferenzdruck ist Null. Die fluiddichte Wand 3 verhindert, dass Luft aus der Restluftblase 15 nachaussen entweicht. Die Zwischenschicht 12 stellt zusammen mit der Wand 3 sicher, dass die Schüttgutfüllung 4 ihre kugelförmige Gestalt beibehält. Die Verbindung zwischen dem Innenraum 5 und dem Meer 9 ist bevorzugt geschlossen, kann aber grundsätzlich auch offen sein.

[0055] Figur 3b zeigt den Aussendruck-Fluidspeicher 1 im Betriebszustand „Energie speichern“: die Verbindung zwischen dem Innenraum 5 und dem Meer 9 ist offen, die Pumpenturbine 7 pumpt unter Aufnahme von Strom durch die Leitung 11 Wasser aus dem Innenraum 5 hinaus, das Wasser fliesst durch den Kanal 8 gemäss dem Pfeil 30 in die Aussenwelt ab. Je nach dem Volumen des abgeflossenen Wassers ergibt sich dadurch ein fallender aktueller Füllstand 31 des in der Schüttgutfüllung 4 vorhandenen Wassers. Die Restluftblase 15 (Figur 3a) expandiert in den Zwischenräumen der Schüttgutfüllung 4 oberhalb des fallenden aktuellen Füllstands 31 (s. die eingezeichneten Expansionspfeile) 32 in dem Mass, wie sich der aktuelle fallende Füllstand 30 gegen den unteren Füllstand 17 senkt. Dadurch sinkt der Druck in der Schüttgutfüllung 4 laufend, d.h. der aktuelle Betriebsdifferenzdruck steigt laufend an, der als Aussendruck die Wand 3 beaufschlagt, und durch die Zwischenschicht auf die Schüttgutfüllung 4 weitergegeben wird, so dass diese den Betriebsdifferenzdruck aufnimmt. Mit dem ansteigenden Betriebsdifferenzdruck steigt die für die Pumpe benötigte Arbeitsleistung, laufend an und damit die durch die Stromleitung 11 angelieferte und verbrauchte (aber wieder gewinnbare) Energie.

[0056] Je nach der Auslegung des Aussendruck-Fluidspeichers 1, insbesondere je nach dem verwendeten Schüttgut, der Ausbildung der Zwischenschicht 12 und der vorgesehenen Operationstiefe wird mit dem Ansteigen des aktuellen Betriebsdifferenzdrucks wird ein Moment erreicht, in dem die Zwischenschicht 12 bricht, da sich durch die erhöhte Druckbelastung periphere Schüttgutpartikel sich leicht, aber doch etwas, verschieben, s. dazu die Beschreibung oben. Dieser Moment kann irgendwo zwischen dem Betriebsdifferenzdruck Null und dem vorbestimmten, maximalen Betriebsdifferenzdruck liegen und wird vom Fachmann so bestimmt, dass der Aufwand für die Wand und die Zwischenschicht (eventuell auch betreffend Schüttgut) bei einem im konkreten Fall gewünschten optimalen Wert liegen.

[0057] Figur 3c zeigt den Aussendruck-Fluidspeicher 1 im Betriebszustand „Geladen“: die Pumpenturbine 7 hat das Wasser aus dem Innenraum 5 bis auf den unteren Füllstand 17 hinausgepumpt, die Luft der Restluftblase 15 (Figur 3a) hat in das ganze Volumen der Zwischenräume im Schüttgut 4 bis hinunter zum unteren Füllstand 17 expandiert und noch einen Druck von beispielsweise 1 bar oder, je nach Auslegung, z.B. 0.05 bar. Der Stromverbrauch über die Leitung 11 hat ca. 20 MWh erreicht (Radius des Innenraums 5 10 m, Operationstief 800 m, s. die Beschreibung zur Figur 1). Nach wie vor trägt die Schüttgutfüllung 4 den jetzt vorbestimmten maximalen Betriebsdifferenzdruck und stützt über die gegebenenfalls zerbrochene Zwischenschicht 12 die Wand 3 gegen den Aussendruck ab. Die Verbindung zwischen dem Innenraum 5 und dem Meer 9 ist geschlossen.

[0058] Der Aussendruck-Fluidspeicher 1 kann im Status „Geladen“ verbleiben, bis ihm gespeicherte Energie wieder entnommen werden soll. Natürlich kann auch ein teilgeladener Fluidspeicher 1 im teilgeladenen Status nach Bedarf verbleiben.

[0059] Figur 3d zeigt den Aussendruck-Fluidspeicher 1 im Betriebszustand „gespeicherte Energie entladen“: Die Verbindung zwischen dem Innenraum 5 und dem Meer 9 ist offen, Wasser aus dem Meer 9 dringt getrieben durch den Betriebsdifferenzdruck gemäss dem Pfeil 33 in den Fluidkanal 8 und gelangt so in die Pumpenturbine 7, die im Turbinenmodus läuft, einen Generator antreibt, der Strom erzeugt und über die Leitung 11 abgibt. Das den Innenraum 5 bzw. die Schüttgutfüllung 4 füllende Wasser besitzt einen ansteigenden aktuellen Füllstand 34, der das oberhalb sich in den Zwischenräumen des Schüttguts 4 sich befindende Luftvolumen den Kompressionspfeilen 35 entsprechend komprimiert. Der aktuelle Betriebsdifferenzdruck fällt laufend. Nach wie vor trägt die Schüttgutfüllung 4 den jetzt aktuellen Betriebsdifferenzdruck und stützt über die gegebenenfalls zerbrochene Zwischenschicht 12 die Wand 3 gegen den Aussendruck ab.

[0060] Figur 3d zeigt den Aussendruck-Fluidspeicher 1 im Betriebszustand entladen, wie er erreicht worden ist, nachdem der ansteigende aktuelle Füllstand 34 (Figur 3d) den oberen Füllstand 16 erreicht hat. Die Konfiguration entspricht derjenigen von Figur 3a.

[0061] Die Figuren 4 a bis 4e zeigen schematisch die verschiedenen Betriebszustände eines auf dem Meeresgrund 2 betriebsfähig positionierten Aussendruck-Fluidspeichers 40 in einer weiteren Ausführungsform, bei der die Ausführungsform gemäss Figur 1 durch einen Schnorchel 41 ergänzt ist, der den Innenraum 5 bzw. die Schüttgutfüllung 4 mit der Atmosphäre oberhalb der Wasseroberfläche 42 des Meeres 9 verbindet.

[0062] Durch den Schnorchel 41 herrscht im Inneren des Aussendruck-Fluidspeichers 40 stets Atmosphärendruck. Der obere Füllstand 43 ist nicht mehr auf das für eine Restluftblase 15 (Figur 1) benötigte Volumen ausgelegt, sondern kann im Prinzip den höchsten Punkt des Innenraums 5 erreichen.

[0063] Figur 4a zeigt den Aussendruck-Fluidspeicher 40 im Betriebszustand „Entladen“: der Innenraum 5 bzw. die Schüttgutfüllung 4 ist geflutet, der Innendruck beträgt 1 bar dank der Verbindung zur Atmosphäre. Der aktuelle Betriebsdifferenzdruck ist gleich dem vorbestimmten maximalen Betriebsdifferenzdruck 80 bar. Die Verbindung zwischen dem Innenraum 5 und dem Meer 9 ist geschlossen, sonst würde Wasser im Schnorchel hochsteigen, was unerwünscht ist. Die fluiddichte Wand 3 verhindert, dass Wasser durch sie hindurch in den Innenraum tritt. Die Zwischenschicht 12 ist, je nach verwendetem Schüttgut, bereits gebrochen (s. dazu die Beschreibung zu Figur 3b) und stellt sicher, dass die Schüttgutfüllung 4 ihre kugelförmige Gestalt beibehält.

[0064] Figur 4b zeigt den Aussendruck-Fluidspeicher 1 im Betriebszustand „Energie speichern“: die Verbindung zwischen dem Innenraum 5 und dem Meer 9 ist offen, die Pumpenturbine 7 pumpt unter Aufnahme von Strom durch die Leitung 11 Wasser aus dem Innenraum 5 hinaus, das Wasser fliesst durch den Kanal 8 gemäss dem Pfeil 30 in die Aussenwelt ab. Je nach dem Volumen des abgeflossenen Wassers ergibt sich dadurch ein fallender aktueller Füllstand 31 des in der Schüttgutfüllung 4 vorhandenen Wassers. Aus dem Schnorchel 41 stammende Luft füllt die Zwischenräumen der Schüttgutfüllung 4 oberhalb des fallenden aktuellen Füllstands 31 (s. die eingezeichneten Pfeil 44) in dem Mass, wie sich der aktuelle fallende Füllstand 31 gegen den unteren Füllstand 17 senkt. Die Pumpe der Pumpenturbine 7 arbeitet stets gegen den vollen vorgesehenen maximalen Betriebsdifferenzdruck und verbraucht deshalb mehr durch die Stromleitung 11 angelieferte Energie, als es im Fall des Aussendruck-Fluidspeichers 1 (Figur 3b) der Fall ist.

[0065] Figur 4c zeigt den Aussendruck-Fluidspeicher 1 im Betriebszustand „Geladen“: die Verbindung zwischen dem Innenraum 5 und dem Meer 9 ist geschlossen, die Pumpenturbine 7 hat das Wasser aus dem Innenraum 5 bis auf den unteren Füllstand 17 hinausgepumpt, die über den Schnorchel 41 zugeführte Luft aus der Atmosphäre hat in das ganze Volumen der Zwischenräume im Schüttgut 4 bis hinunter zum unteren Füllstand 17 gefüllt, der Druck beträgt nach wie vor 1 bar. Der Stromverbrauch über die Leitung 11 hat ca. 21 mWh erreicht (Radius des Innenraums 5 10 m, Operationstief 800 m). Nach wie vor trägt die Schüttgutfüllung 4 den vorbestimmten maximalen Betriebsdifferenzdruck und stützt über die gegebenenfalls zerbrochene Zwischenschicht 12 die Wand 3 gegen den Aussendruck ab.

[0066] Der Aussendruck-Fluidspeicher 41 kann im Status „Geladen“ verbleiben, bis ihm gespeicherte Energie wieder entnommen werden soll. Natürlich kann auch ein teilgeladener Fluidspeicher 41 im teilgeladenen Status nach Bedarf verbleiben.

[0067] Figur 4d zeigt den Aussendruck-Fluidspeicher 1 im Betriebszustand „gespeicherte Energie entladen“: die Verbindung zwischen dem Innenraum 5 und dem Meer 9 ist offen, Wasser aus dem Meer 9 dringt getrieben durch den vorbestimmten maximalen Betriebsdifferenzdruck gemäss dem Pfeil 33 in den Fluidkanal 8 und gelangt so in die Pumpenturbine 7, die im Turbinenmodus läuft, einen Generator antreibt, der Strom erzeugt und über die Leitung 11 abgibt. Das den Innenraum 5 bzw. die Schüttgutfüllung 4 füllende Wasser besitzt einen ansteigenden aktuellen Füllstand 34, der das oberhalb sich in den Zwischenräumen des Schüttguts 4 sich befindende Luftvolumen dem Pfeil 45 entsprechend durch den Schnorchel 41 aus dem Innenraum 5 zur Atmosphäre abführt. Der vorbestimmte maximale Betriebsdifferenzdruck bleibt erhalten. Nach wie vor nimmt die Schüttgutfüllung 4 diesen auf und stützt über die gegebenenfalls zerbrochene Zwischenschicht 12 die Wand 3 gegen den Aussendruck ab.

[0068] Figur 4d zeigt den Aussendruck-Fluidspeicher 1 im Betriebszustand entladen, wie er erreicht worden ist, nachdem der ansteigende aktuelle Füllstand 34 (Figur 3d) den oberen Füllstand 43 erreicht hat. Die Konfiguration entspricht derjenigen von Figur 4a.

[0069] Erfindungsgemäss ist ein Aussendruck- Fluidspeicher mit einem Innenraum für die Aufnahme eines Fluids, einer äusseren, im Betrieb durch einen Aussendruck der Aussenwelt druckbeaufschlagten Wand, die den Innenraum von der Aussenwelt fluiddicht trennt, und mit einer zwischen dem Innenraum und der Aussenwelt vorgesehenen Verbindung zum wahlweisen Austausch von Fluid zwischen dem Innenraum und der Aussenwelt versehen, wobei der Innenraum durch eine Schüttgutfüllung gebildet wird und die Wand derart ausgebildet ist, dass sie im Betrieb einen den Druck im Innenraum übersteigenden Aussendruck aufnimmt und in die Schüttgutfüllung einleitet, durch die sie wiederum in ihrer Betriebsposition gegen den übersteigenden Aussendruck abgestützt wird.

[0070] Figur 5a zeigt schematisch die Herstellung eines Aussendruck-Fluidspeichers 50 in einer Ausführungsform gemäss Figur 1, wobei die Herstellung in einer Form 51 für die untere Hälfte des Fluidspeichers 50 erfolgt, in die eine Kunststofffolie 52 eingelegt ist, welche die Wand des fertigen Fluidspeichers bildet. Die Kunststoffolie 52 erhält eine erste Spritzbetonschicht 53 von innen her, die eine Zwischenschicht 12 (Figur 1) für die untere Hälfte des Fluidspeichers 50 bildet.

[0071] Figur 5b zeigt einen nach dem Erhärten der ersten Spritzbetonschicht 53 in diese eingelegten pneumatischen Körper 54, der aufgeblasen dem Innenraum 5 (Figur 1) des fertigen Fluidspeichers bildet. Auf den pneumatischen Körper 54 wird eine zweite Spritzbetonschicht 55 aufgetragen, welche mit der ersten Spritzbetonschicht 53 betriebsfähig verbunden wird und dann so die vollständige Zwischenschicht 12 (Figur 1) bildet. Danach wird eine weitere, in der Figur nicht dargestellte Kunststofffolie auf die zweite Spritzbetonschicht 55 aufgebracht, und mit der Kunststofffolie 52 betriebsfähig zur Wand 3 (Figur 1) verbunden. Dann sind die Zwischenschicht 12 und die Wand 3 fertig gestellt, so dass schliesslich die Pumpenturbine 7 und die Stromleitung 11 (Figur 1) in den durch die Zwischenschicht 12 und die Wand 3 gebildeten Körper 56 (Figur 5c) eingelegt werden können. Es fehlt dann nur noch die Befüllung mit Schüttgut 4 (Figur 1).

[0072] Figur 5c zeigt den ins Wasser gebrachten, aus der Wand 3 und der Spritzbetonschicht 53,55 gebildetenKörper 56, an dem Schwimmkörper 57 angebracht sind, so dass der Körper 56 schwimmt und mit Schüttgut 4 beladen werden kann, womit der Aussendruck-Fluidspeichers 50 fertig gestellt ist. Figur 5d zeigt, wie durch eine Reduktion des Auftriebs der Schwimmkörper 57 am künftigen Betriebsort der Aussendruck-Fluidspeicher 50 dem Pfeil 58 entsprechend auf Operationstiefe abgesenkt werden kann.

[0073] Es ergibt sich ein Verfahren zur Herstellung eines Aussendruck-Fluidspeichers mit einem Innenraum für die Aufnahme eines Fluids, und mit einer äusseren, im Betrieb durch einen Aussendruck druckbeaufschlagten Wand, die den Innenraum von der Aussenwelt fluiddicht trennt, wobei der Innenraum durch eine Schüttgutfüllung gebildet wird, die die Wand gegen einen Betriebs-Differenzdruck abstützt, und wobei zuerst ein unterer Teil des Aussendruck-Fluidspeichers hergestellt wird, dann ein pneumatischer Körper in den unteren Teil eingelegt und aufgeblasen wird, bis dieser im aufgeblasenen Zustand der vorgesehenen Kontur des Innenraums nachfolgt, und dann am pneumatischen Körper ein Skelett-Anordnung und die Wand angeordnet werden, wobei an einem oberen Ende der Wand eine Öffnung vorgesehen wird, derart, dass in einem späteren Schritt die Schüttgutfüllung in den durch die Wand gebildeten Innenraum betriebsfähig eingefüllt werden kann. Bevorzugt wird dabei die Schüttgutfüllung eingefüllt wird, nachdem die vorbereitete, durch das Form-Skelett in Form gehaltene Wand in Wasser getaucht worden ist, und in diesem Wasser an einem vorgesehenen Ort versenkt werden kann. Weiter bevorzugt ist der pneumatische Körper im aufgeblasenen Zustand kugelförmig, und besonders bevorzugt wird das Form-Skelett als auf dem pneumatischen Körper aufgespritzte Spritzbetonschicht ausgebildet.

[0074] Es sei angemerkt, dass ein erfindungsgemässer Aussendruck-Fluidspeicher im Prinzip in jedem Gewässer, d.h. in Salz- oder in Süsswasser vorgesehen werden kann, ebenfalls beispielsweise in einer in den Untergrund eingebrachten, wassergefüllten Bohrung, die am unteren Ende eine Kaverne aufweist, in welcher der Aussendruck-Fluidspeicher dann angeordnet ist.

[0075] Figur 6 zeigt Diagramm 60, auf dessen vertikaler Achse die Kosten eines erfindungsgemässen Aussendruck-Fluidspeichers in $/kWh und auf dessen horizontaler Achse die Operationstiefe aufgetragen ist. Unter der Annahme eines kugelförmigen Fluidspeichers zeigt die ausgezogene Kurve 61 die Kosten für einen Radius von 5m , die strichpunktierte Linie 62 die Kosten für eine Radius von 10 m und die gepunktete Linie 63 die Kosten für einen Radius von 15 m. Diese Kosten sind signifikant geringer als diejenigen eines Aussendruck-Fluidspeichers gemäss dem Stand der Technik.

Claims (24)

1. Aussendruck- Fluidspeicher (1,20,50), mit einem Innenraum (5,24) für die Aufnahme eines Fluids, einer äusseren, im Betrieb durch einen Aussendruck der Aussenwelt druckbeaufschlagten Wand (3), die den Innenraum (5,24) von der Aussenwelt fluiddicht trennt, und mit einer zwischen dem Innenraum (5,24) und der Aussenwelt vorgesehenen Verbindung zum wahlweisen Austausch von Fluid zwischen dem Innenraum (5,24) und der Aussenwelt, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum (5,24) durch eine Schüttgutfüllung (4) gebildet wird und die Wand (3) derart ausgebildet ist, dass sie im Betrieb einen den Druck im Innenraum (5,24) übersteigenden Aussendruck aufnimmt und in die Schüttgutfüllung (4) einleitet, durch die sie wiederum in ihrer Betriebsposition gegen den übersteigenden Aussendruck abgestützt wird.

2. Aussendruck- Fluidspeicher (1,20,50) nach Anspruch 1, wobei die Wand (3) selbst gegenüber einem vorbestimmten Betriebsdifferenzdruck zwischen dem Aussendruck und dem Druck im Innenraum (5,24) nicht druckfest, aber durch die Abstützung an der Schüttgutfüllung (4) druckfest ausgebildet ist.

3. Aussendruck- Fluidspeicher (1,20,50) nach Anspruch 1, wobei die Wand (3) verformbar ausgebildet ist, derart, dass sie unter dem vorbestimmten Betriebsdifferenzdruck einer druckbedingten Verschiebung des abstützenden Schüttguts (4) fluiddicht nachfolgen kann.

4. Aussendruck- Fluidspeicher (1,20,50) nach Anspruch 1, wobei die Wand (3) als flexible, den Innenraum (5,24) umschliessende Haut ausgebildet ist.

5. Aussendruck- Fluidspeicher (1,20,50) nach Anspruch 1 oder 4, wobei wenigstens ein Bereich der Wand (3) eine Kunststofffolie, ein Kunststoffgewebe und/oder ein flächiges Blech aufweist.

6. Aussendruck- Fluidspeicher (1,20,50) nach Anspruch 1, mit einer Skelett-Anordnung für die Formgebung der betriebsfähigen, äusseren Form der Schüttgutfüllung (4).

7. Aussendruck-Fluidspeicher nach Anspruch 6, wobei die Skelett-Anordnung eine zwischen der Wand (3) und der Schüttgutfüllung (4) vorgesehene steife Zwischenschicht (12) aufweist, welche die Schüttgutfüllung (4) wenigstens soweit umschliesst, dass sie ihre betriebsfähige äussere Form unter der Wirkung der Gravitation beibehält.

8. Aussendruck-Fluidspeicher nach Anspruch 7, wobei die Zwischenschicht (12) ein Material aufweist, das als solches unter dem Betriebsaussendruck im Wesentlichen druckfest ist.

9. Aussendruck-Fluidspeicher nach Anspruch 7, wobei die Zwischenschicht (12) aus Spritzbeton besteht.

10. Aussendruck-Fluidspeicher nach Anspruch 6, wobei die Skelett-Anordnung Formelemente aufweist, die bevorzugt an der Aussenseite der Wand (3) angeordnet sind.

11. Aussendruck-Fluidspeicher nach Anspruch 10, wobei die Formelemente als Ringe (22) ausgebildet sind.

12. Aussendruck-Fluidspeicher nach Anspruch 1, wobei das Schüttgut (4) Grobsand, Kies, Schotter und/oder gebrochene Steine aufweist.

13. Aussendruck-Fluidspeicher nach Anspruch 1, wobei der Innenraum (5,24) kugelförmig, zylinderförmig oder würfelförmig ausgebildet ist.

14. Aussendruck-Fluidspeicher nach Anspruch 1, wobei der Innenraum (5,24) eine Abmessung aufweist, die grösser ist als 5m, bevorzugt grösser ist als 10 m, ganz bevorzugt 15 m und besonders bevorzugt grösser ist als 20 m.

15. Aussendruck-Fluidspeicher nach Anspruch 13, wobei die Abmessung ein Radius oder eine Höhe ist.

16. Aussendruck- Fluidspeicher (1,20,50) nach Anspruch 1, wobei dieser weiter eine Pumpenturbine (7) aufweist, die mit der Verbindung zum wahlweisen Austausch von Fluid betriebsfähig in Verbindung steht.

17. Aussendruck-Fluidspeicher nach Anspruch 1, 4 und 11, wobei der Innenraum (5,24) eine zylindrische Struktur aufweist, und über seine Höhe eine Anzahl FormRinge (22) mit einem gemeinsamen Radius angeordnet sind, die über einer flexiblen Wand (3) liegen, und wobei im Innenraum (5,24) ein als Verbindung zum wahlweisen Austausch von Fluid ausgebildeter Vertikalkanal vorgesehen ist, in welchem eine Pumpenturbine (7) angeordnet ist.

18. Aussendruck-Fluidspeicher nach Anspruch 16, wobei die Pumpenturbine (7) zur Förderung von Wasser ausgebildet ist.

19. Aussendruck-Fluidspeicher nach Anspruch 1, wobei dieser unter Wasser angeordnet ist.

20. Aussendruck-Fluidspeicher nach Anspruch 1, wobei dieser weiter einen Schnorchel (41) aufweist, der den Innenraum (5,24) mit der Atmosphäre verbindet.

21. Verfahren zur Herstellung eines Aussendruck-Fluidspeichers (1,20,50) mit einem Innenraum (5,24) für die Aufnahme eines Fluids, und mit einer äusseren, im Betrieb durch einen Aussendruck druckbeaufschlagten Wand (3), die den Innenraum (5,24) von der Aussenwelt fluiddicht trennt, wobei der Innenraum (5,24) durch eine Schüttgutfüllung (4) gebildet wird, die die Wand (3) gegen einen Betriebs-Differenzdruck abstützt, dadurch gekennzeichnet, dass zuerst ein unterer Teil des Aussendruck-Fluidspeichers hergestellt wird, dann ein pneumatischer Körper (54) in den unteren Teil eingelegt und aufgeblasen wird, bis dieser im aufgeblasenen Zustand der vorgesehenen Kontur des Innenraums nachfolgt, und dann am pneumatischen Körper (54) ein Skelett-Anordnung und die Wand (3) angeordnet werden, wobei an einem oberen Ende der Wand (3) eine Öffnung vorgesehen wird, derart, dass in einem späteren Schritt die Schüttgutfüllung (4) in den durch die Wand (3) gebildeten Innenraum (5,24) betriebsfähig eingefüllt werden kann.

22. Verfahren zur Herstellung eines Aussendruck-Fluidspeichers (1,20,50) nach Anspruch 21, wobei die Schüttgutfüllung (4) eingefüllt wird, nachdem die vorbereitete, durch das Form-Skelett in Form gehaltene Wand (3) in Wasser getaucht worden ist, und in diesem Wasser an einem vorgesehenen Ort versenkt werden kann.

23. Verfahren zur Herstellung eines Aussendruck-Fluidspeichers (1,20,50) nach Anspruch 21, wobei der pneumatische Körper (54) im aufgeblasenen Zustand kugelförmig ist.

24. Verfahren zur Herstellung eines Aussendruck-Fluidspeichers (1,20,50) nach Anspruch 21, wobei das Form-Skelett als auf dem pneumatischen Körper (54) aufgespritzte Spritzbetonschicht (55) ausgebildet wird.