CN104040165B - 用于能量存储的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种抽水蓄能电站(1)，其具有至少一个布置在地下的下部存储空间(11)和至少一个与所述下部存储空间分开的布置在地上或地下的上部存储空间(12)，其中，所述下部存储空间(11)布置在比所述上部存储空间(12)更大的深度处，所述抽水蓄能电站还具有至少一个分别导引到所述上部存储空间(12)和下部存储空间(11)中的液体管路(15、16)，所述液体管路与所述抽水蓄能电站的至少一个液压式动力机械和/或做功机械(26、27)相连或者能通过可通断的阀(28、29)连接，并且所述抽水蓄能电站具有至少一个分别导引到所述上部存储空间(12)和下部存储空间(11)中的压力气体管路(17、18)，所述压力气体管路与所述抽水蓄能电站的压力气体动力机械和/或做功机械(21、22)相连或者能通过可通断的阀(24、25)连接，其中，所述抽水蓄能电站设计用于将液态介质(5、7)通过所述液体管路(15、16)和液压式动力机械和/或做功机械(26、27)从上部存储空间(12)运输至下部存储空间(11)并且从下部存储空间(11)运输至上部存储空间(12)，并且所述压力气体动力机械和/或做功机械(21、22)设计用于至少在所述下部存储空间(11)内自由选择地产生压力气体(4、6)的气体压力，所述气体压力可以与所述上部存储空间(12)中的气体压力不同。本发明还涉及一种发电站以及一种用于能量存储的方法。

Description

用于能量存储的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种抽水蓄能电站、一种发电站以及一种用于能量存储的方法。
背景技术
一般而言，本发明涉及用于由可再生资源产生的能量(如风能或者太阳能)的能量存储领域。因为这些类型的能量产生由于天气原因而具有不规律性，所以能量存储的需求具有越来越重要的意义。除了相对较耗费的电化学存储，也已经存在存储为机械能的建议，例如在所谓的抽水蓄能电站或者压缩空气蓄能电站中进行。抽水蓄能电站迄今与本地的地理地表条件相关并且新的项目由于明显地介入了自然而面临是否被社会接受的问题。压缩空气蓄能电站由于可安装在地下空腔中而可以被社会接受，但迄今具有相对较低的效率并且因此具有较低能效。因此，抽水蓄能电站迄今只能在具有相应高差的地带实现。在海拔较低(如德国北部)的地带或者在产生了大部分风能的开阔海面上，业已证明使用传统的抽水蓄能电站是不现实的。
已经存在这样的建议，如在EP 0 212 692 B1中，在两个布置在不同深度的地下存储空间中进行能量存储。但是这种建议由于以下问题而无法实现，即在地表以下较大深度处安装并且运行相应的泵机械，以便将所使用的液体从下部存储空间泵送入上部存储空间。由布置在地上的泵机械从设置得相对较深的下部存储空间(例如几百米或者一千米深)中抽吸液体在技术上无法实现。
发明内容
因此，本发明所要解决的技术问题在于，提供用于能量存储的装置和方法，它们能够以较小的耗费并且因此成本低廉地有效存储较大量的能量。
该技术问题通过一种抽水蓄能电站、一种发电站以及一种用于能量存储的方法解决。有利地，可以尤其将已经存在的地下空腔用作上部和下部存储空间或者说第一和第二存储空间，所述空腔例如是岩层中的洞穴或者其它例如已经通过采矿而形成的地下空腔。也可以利用地上存储空间或者现有的能量供应网络，如天然气网络。本发明允许多方面地利用现有的地上和地下空腔以及现有的管路网络。
本发明尤其适用于短期、中期和/或长期的能量存储。
借助本发明尤其可以满足本地的能量存储需求，所述存储需求考虑并且实现了技术上、经济上和生态上还有社会上的要求。本发明可以在实际中利用当今可以买到的技术部件和设备实现。对于存储空间，可以利用现有的人造洞穴，它们例如在过去用于存储天然气、石油或者其它物质，例如可以是天然岩层中的洞穴。这些洞穴能够以简单的方式在大量例如存在于德国北部的岩层中以淡水进行溶浸采矿(Aussolung)而形成，或者可以利用现有的不再使用的洞穴。
本发明在一种设计方案中涉及一种抽水蓄能电站，其具有至少一个布置在地下的下部存储空间和至少一个与所述下部存储空间分开的、布置在地上或地下的上部存储空间，其中，所述下部存储空间布置在比所述上部存储空间更大的深度处，所述抽水蓄能电站还具有至少一个分别导引到所述上部存储空间和下部存储空间中的液体管路，所述液体管路与所述抽水蓄能电站的至少一个液压式动力机械和/或做功机械相连或者能通过可通断的阀(包括必要时所需的辅助设备)连接，并且所述抽水蓄能电站具有至少一个分别导引到所述上部存储空间和下部存储空间中的压力气体管路，所述压力气体管路与所述抽水蓄能电站的压力气体动力机械和/或做功机械相连或者能通过可通断的阀连接，其中，所述抽水蓄能电站设计用于将液态介质通过所述液体管路和液压式动力机械和/或做功机械从上部存储空间运输至下部存储空间并且从下部存储空间运输至上部存储空间，并且所述压力气体动力机械和/或做功机械设计用于至少在所述下部存储空间内自由选择地产生压力气体的气体压力，所述气体压力可以与所述上部存储空间中的气体压力不同。
术语“深度(Teufe)”即为矿工对“深度(Tiefe)”的称呼。深度说明地下某点在表面上(例如相对于地表)的定义基准点以下的深度(两点之间的垂直距离)。
有利地，可以借助压力气体动力机械和/或做功机械至少在所述下部存储空间内产生压力气体的气体压力，所述气体压力可以与所述上部存储空间中的气体压力不同，例如可以完全与上部存储空间中的气体压力无关。因此，上部存储空间在气体压力方面与下部存储空间脱耦，例如由此实现，即在压力气体管路之间不存在直接的连接。这实现了这种可能性，即通过相应提高下部存储空间中的气体压力来通过气体压力将液态介质从下部存储空间运输至上部存储空间，液态介质可以只通过下部存储空间中升高的气体压力输送至上部存储空间，或者必要时也可以附加地借助液体泵的支持从下部存储空间输送至上部存储空间。这又具有这样的优点，即在下部存储空间的处于地表以下较大深度处的区域中不需要液体泵或者其它设备。下部存储空间中的气体压力可以通过布置在地表上的设备例如压缩机来提高。这简化了整个设备的建造和安装以及设备的维护。尤其不需要在地表以下较大深度处对机器进行维护。
因此可以有利地将液压式动力机械和/或做功机械布置在地上。压力气体动力机械和/或做功机械也可以布置在地上。当然也可以将所述机械完全或者部分地布置在地表以下，例如布置在较低深度处(如建筑物的地下室中)或者稍大的深度处。
设备部件安装在地上表示设备部件处于地表上或者完全或部分地布置在地表上方附近和/或地表下方附近。
通过两个存储空间的不同深度层，能够以存储势能的形式存储能量。如果应存储能量，则将液态介质从下部存储空间运输至上部存储空间。为此，借助压力气体动力机械和/或做功机械提高下部存储空间内的气体压力。在此，压力气体动力机械和/或做功机械利用来自能量供应网络和/或直接来自电源的电能运行。如果应提取能量，则将液态介质从上部存储空间运输至下部存储空间并且在此通过液压式动力机械和/或做功机械导引，其例如通过涡轮机(具有连接的发电机)将液态介质的势能转化为电能，并且将电能输出至能量供应网络和/或直接输出至集电器。
所述能量供应网络可以是公共的和/或非公共的能量供应网络。
关于上部和下部存储空间或者说第一和第二存储空间，也还可以包括另外的存储空间，例如第三、第四和其它存储空间。这些另外的存储空间可以相对于上部和下部存储空间布置在相同深度层或者不同深度层中。
压力气体动力机械和/或做功机械尤其可以设计用于自由选择地分别在所述第一和第二存储空间中产生压力气体的大小不同的气体压力，因此可以在各存储空间中自由选择地调节形成任意的气体压力。这具有的优点是，除了通过液态介质进行能量存储，整个设备也可以附加地用作压力气体存储器，例如用于短期或中期的能量存储。
抽水蓄能电站可以具有控制装置，例如形式为电子控制装置，其控制抽水蓄能电站的各个单独部件的功能，例如压力气体动力机械和/或做功机械和必要时现有的可控阀。在此，控制装置尤其设计用于按照本发明的方法中的功能。为此，控制装置例如可以设计为可编程的并且执行相应的控制程序，在所述控制程序中编入了所述功能和方法步骤。相应地，本发明也涉及相应设计的具有控制程序的控制装置以及控制程序，所述控制程序设计用于在控制装置上执行时实施方法步骤。所述控制程序可以保存在数据载体上。
按照本发明的一种有利的扩展设计，控制装置设计用于当液态介质应从所述下部存储空间运输至上部存储空间时，通过控制压力气体动力机械和/或做功机械来提高所述下部存储空间内的气体压力。这例如在应将能量存入抽水蓄能电站时是必须的。在这种情况下，可以通过提高下部存储空间中的气体压力支持液态介质向上部存储空间的输送或者甚至完全不用附加的泵地进行所述输送。
在从抽水蓄能电站中输出能量时，需要将液态介质从上部存储空间运输至下部存储空间，这基于重力实现。因为在此为了能量输出应通过所述液压式动力机械和/或做功机械将液态介质导引至能量供应网络和/或直接导引至集电器，所以有利的是，当液压式动力机械和/或做功机械布置在上部存储空间上方时，通过液压式动力机械和/或做功机械借助液体管路防漏地并且不包含气体地将上部和下部存储空间相连。
按照本发明的一种有利的扩展设计，所述液体管路和/或所述压力气体管路从上方或者从侧面引入所述上部或下部存储空间内。这具有的优点是，能够以简单的方式将相应的管路装入存储空间中，例如通过从地表垂直或者倾斜地延伸的钻孔。以这种方式尤其可以避免从下方导引至存储空间的管路，如在EP 0 212 692 B1中描述的那样，这具有的优点是，可以避免在实践中极为耗费的从下方引导至存储空间的管路。由此也避免了固体物质通过连接管路进入动力机械和泵中。
按照本发明的一种有利的扩展设计，所述压力气体动力机械和/或做功机械具有至少一个用于产生压缩的压力气体的压缩机和用于通过来自所述上部或下部存储空间中的压力气体的膨胀将能量输出至公共的和/或非公共的能量供应网络和/或直接输出至集电器的膨胀机。压缩机例如可以设计为电力驱动的压缩机。膨胀机例如可以设计为压力气体涡轮机，其具有与之相连的发电机。这具有的优点是，通过压力气体动力机械和/或做功机械不只能够产生压缩的压力气体，也可以在膨胀时再次从压力气体中获得能量并且输出至能量供应网络和/或直接输出至集电器。抽水蓄能电站的整体能效由此进一步提高。此外，抽水蓄能电站能够更好地用于短期和中期的能量存储。
按照本发明的一种有利的扩展设计，所述控制装置设计用于当压缩的压力气体在膨胀机中膨胀时通过控制液压式动力机械和/或做功机械将液态介质从另一存储空间传输至被提取了压力气体的那个存储空间。由此降低了膨胀造成的冷却并且扩宽了用于运行洞穴亦即相应的存储空间的活动余地，(单位时间的压力降低或者温度降低)。尤其可以保持存储空间中的压力并且在膨胀过程中存储空间不会冷却。在膨胀时只还需要为所述过程输入在膨胀机中所需的热。
按照本发明的一种有利的扩展设计，所述控制装置设计用于当压缩的压力气体在膨胀机中膨胀时通过控制液压式动力机械和/或做功机械将如此多的液态介质引入被提取了压力气体的存储空间，使得该存储空间中的气体压力基本上保持不变或者至少不明显降低。由此能够有利地基本上等压地运行存储空间。在此，控制装置具有相应的传感器或者与相应的传感器相连，以便实施所述功能。
按照本发明的一种有利的扩展设计，所述控制装置设计用于当压缩的压力气体在膨胀机中膨胀时通过控制液压式动力机械和/或做功机械将如此多的液态介质引入被提取了压力气体的存储空间，使得该存储空间中的压力气体的温度升高。在此，控制装置具有相应的传感器或者与相应的传感器相连，以便实施所述功能。
按照本发明的一种有利的扩展设计，设有热循环，所述热循环具有至少一个供压力气体流通的热交换器和至少一个供液态介质流通的热交换器，其中，所述热交换器能够这样受控地相连，从而将在压力气体压缩时产生的热输入液态介质和/或在压力气体膨胀时将热从液态介质输入压力气体。由此，尤其可以将通过压力气体的压缩和膨胀产生的热用作能量或者通过液态介质进行中间存储并且在另一时间点再输出给压力气体。
按照本发明的一种有利的扩展设计，所述控制装置设计用于在来自所述下部存储空间的压力气体膨胀期间通过控制热循环借助热交换器在与从上部存储空间中提取的液态介质的对流中预加热所述压力气体。这具有的优点是，可以完全或部分地补偿在压力气体膨胀期间出现的温度降低，从而能够实现有效的等温膨胀。
按照本发明的一种有利的扩展设计，所述控制装置设计用于将压力气体的气体压力随时间的变化限定为预设的极限值。这具有的优点是，填充有压力气体的存储空间在气体压力改变时得到保护并且保持预设的负载极限。
按照本发明的一种有利的扩展设计，所述控制装置设计用于接收并且处理能量存储请求，当通过能量存储请求而要求短时能量存储时，提高所述上部和/或下部存储空间中的压力气体的气体压力，并且在能量存储请求要求比短时能量存储更长的能量存储时长时，将液态介质从下部存储空间运输至上部存储空间。这具有的优点是，根据预计的能量存储时长可以使用特别合适的能量存储方法，即在短时能量存储时以提高气体压力的方式进行存储，并且在较长的能量存储时长时通过液态介质的势能存储能量。由此能够进一步提高抽水蓄能电站的能效。能量存储请求例如可以由电站指挥站或者由其它电站或能量供应网络运营商例如通过数据通信网络提供给控制装置。
按照本发明的一种有利的扩展设计，所述液态介质是盐水、含盐水的液体混合物或者其它液体混合物。所述压力气体是压缩空气或者其它气体或者其它气体混合物。所述盐水尤其可以是饱和盐水。这具有的优点是，可以将原本就存在于地下洞穴尤其是岩层中的介质用作液态介质。
按照本发明的一种有利的扩展设计，在所述上部和/或下部存储空间中布置有一个或多个用于运输液态介质的潜水泵。这具有的优点是，可以轻易地安装泵，因为所述泵例如可以通过液体管路或者为之设置的竖井从地表装入存储空间中。由于设计为潜水泵，所述泵在处于液态介质之中时就可以立即投入使用。因此不需要特别安装泵，尤其不需要将其安装在存储空间附近的单独机房中。
按照本发明的一种有利的扩展设计，在所述液态介质和所述压力气体之间具有机械的和/或化学的分隔层。所述机械分隔层例如可以设计为例如由弹性或非弹性材料构成的薄膜的形式。
本发明在另一种设计方案中涉及一种发电站，尤其是抽水蓄能电站或者压缩空气蓄能电站，其具有处于相同或不同深度层的至少一个第一和与之分开的第二存储空间，并且具有至少一个分别导引到所述第一存储空间和第二存储空间中的压力气体管路，所述压力气体管路与所述发电站的压力气体动力机械和/或做功机械相连或者能通过可通断的阀连接，其中，所述压力气体动力机械和/或做功机械设计用于自由选择地分别在所述第一和第二存储空间中产生压力气体的大小不同的气体压力，所述发电站还具有控制装置，所述控制装置设计用于在来自某一存储空间的压力气体膨胀时将该膨胀的压力气体输入另一存储空间。
这具有的优点是，对于压力气体存储具有由第一和第二存储空间构成的封闭系统，因此不需要如已知的压缩空气蓄能电站那样将压力气体排放到大气中。而是可以将压力气体在某个存储空间与另一存储空间之间来回输送。这具有的优点是，除了空气之外的其它气体也可以用作压力气体，例如天然气。另一优点在于，由此形成了封闭的压力气体系统，其中两个存储空间或者说所有存在的存储空间总是处于一定压力之下。电站尤其也可以在没有泵存储部件(即液体循环)的情况下实现。只要电站设计为之前所述的抽水蓄能电站，下部存储空间就可以用作第一存储空间并且上部存储空间可以用作第二存储空间，或者上部存储空间用作第一存储空间并且下部存储空间用作第二存储空间。也可以设置用于压力气体循环和液体循环的单独存储空间。
按照本发明的一种有利的扩展设计，所述控制装置设计用于在压力气体从存储空间中膨胀出时使该存储空间中的气体压力不会下降到预设的最低压力值以下，例如不会下降到60至100bar以下。这具有的优点是，气体压力存储的能效可以相对于传统压缩空气蓄能电站得到明显提高。这主要是由于这种物理效应，即对于将1Mol气体从例如1bar压缩至10bar，正好产生如将压力从10bar提高到100bar时相同多的热，而气体中所含的压缩能量p·V在更高的压力水平上相应成比例地提高。由于通过按照本发明的电站总是可以在整体相对较高的压力水平上进行气体压力存储和膨胀，可以在温差较少出现的同时实现相对较高的压缩能，因此在这种运行方式中对洞穴、管路和动力机械的热学和机械负载均较小。
按照本发明的一种有利的扩展设计，所述控制装置设计用于在第一存储空间内产生比在第二存储空间内更高的压力，并且在压力气体膨胀时，用更高的压力从存储空间中提取压力气体、导引通过膨胀机并且将膨胀的压力气体输入另一存储空间中。
附图说明
以下参照附图根据实施例进一步阐述本发明。在附图中：
图1以示意图示出抽水蓄能电站并且。
图2以示意图示出不具有液体循环的电站。
在这两张附图中相同的附图标记用于标示相互对应的部件。
具体实施方式
图1示出抽水蓄能电站1，其通过电力线路20与公共的或者非公共的电能供应网络2相连，所述电能供应网络也可以包含直接的电源或者集电器。所述抽水蓄能电站1设计用于短期、中期或者长期地存储能量供应网络2中多余的能量，并且在能量供应网络2中有额外能量需求时再将电能输出给能量供应网络2。
为此，抽水蓄能电站1具有地下的、即布置在基本上处于地表3之下的下部存储空间11，以及具有同样可以布置在地下或者地上或者地表3区域内的上部存储空间12。所述抽水蓄能电站1设计用于将处于液体循环中的液态介质5、7的势能用于能量存储。因此，所述下部存储空间11比上部存储空间12布置在更深、即地表3下方的更大深度处。如图1所示，在下部存储空间11中具有液态介质5，在上部存储空间7中具有液态介质7，其中，液态介质5、7在一般情况下是相同的介质，当需要存储或者提取能量时，所述液态介质5、7在存储空间11、12之间来回运输。在液体5、7的液面之间存在高差8，由该高差以及处于上部存储空间12中的液态介质7的质量形成了当前存储的势能。
在下部存储空间11内在液态介质5上方存在压力气体4。在上部存储空间12内在液态介质7上方存在压力气体6，所述压力气体4、6通常是同一气体。液体管路15导引到下部存储空间11中，所述液体管路与布置在地上的之后还将阐述的设备相连。此外，压力气体管路17导引到下部存储空间11中，其同样在地表与设备相连。可以看出，液体管路15大致伸入到下部存储空间11的下部区域中。压力气体管路17终止于下部存储空间11的上部区域。以相同的方式，液体管路16和压力气体管路18导引到上部存储空间12中，所述液体管路16和压力气体管路18同样与布置在地上的设备相连。液体管路16也大约导引至上部存储空间12的下部区域，压力气体管路18终止于上部存储空间12的上部区域。
抽水蓄能电站1具有一系列在图1中示例性地布置在地上的、即布置在地表3上方的设备，它们可以整合为发电站机组10。所述发电站机组10例如可以设计为发电站建筑。当然也可以将单个的或者所有的设备布置在地表3之下的地表附近或者更大深度处。然而出于抽水蓄能电站的实际可实现性有利的是，将设备布置在地上。
在发电站机组10内具有控制装置13，其例如可以设计为抽水蓄能电站的控制计算机或者指挥计算机，例如电脑的形式。所述控制装置13通过符号化表示的电线路14与各个单独的设备相连，以便对其进行控制或者接收其测量数据。所述控制装置13还通过线路14与能量请求接口相连，通过该能量请求接口可以从外部，尤其从发电站运营商或者能量供应装置处接收能量存储请求和能量输出请求。控制装置13处理这些请求并且根据请求控制所述设备，从而将能量供应网络2的电能存入抽水蓄能电站1中或者再从抽水蓄能电站1将能量输出给能量供应网络2。
抽水蓄能电站1尤其具有以下设备。液体管路15通过可控阀装置28与液压式动力机械和/或做功机械26、27相连。液体管路16通过可控阀装置29与液压式动力机械和/或做功机械26、27相连。所述液压式动力机械和/或做功机械26、27例如可以具有液体涡轮机(例如水轮机)26以及电动泵27，所述液体涡轮机具有用于产生电能的发电机，所述电能被输出给能量供应网络2，所述电动泵可以借助泵送功能支持液态介质从下部存储空间11向上部存储空间12的运输。根据液态介质的运输方向，如通过液体涡轮机26和泵27中的箭头所示，由控制装置13相应地控制可控阀28、29以及必要时的辅助设备19，以便当需要向能量供应网络2输出能量时将液态介质从上部存储空间12运输至下部存储空间11，或者当需要将能量供应网络2的能量存入抽水蓄能电站1中时将液态介质从下部存储空间运输至上部存储空间12。
所述部件11、12、15、16、26、27、28、29由此形成液体循环。
压力气体管路17通过可控阀装置24与压力气体动力机械和/或做功机械相连。压力气体管路18通过可控阀装置25与压力气体动力机械和/或做功机械相连。所述压力气体动力机械和/或做功机械例如可以具有例如形式为具有发电机的气体涡轮机的膨胀机21和例如形式为电动压缩机的压缩机22。所述压缩机22用双向箭头表示，因为其能够根据控制装置13对可控阀装置24、25的控制，将压力气体从下部存储空间11输送至上部存储空间12并且在此提高下部存储空间11中的气体压力，并且相应地反过来，将压力气体从下部存储空间11输送至上部存储空间12并且提高上部存储空间12中的气体压力。在此，下部存储空间11和上部存储空间12中的气体压力可以分别单独地确定，其中，总是在需要将压力气体从具有较低气体压力的存储空间输送至具有较高气体压力的存储空间时激活压缩机22。所述压缩机22例如可以与接口23相连，通过该接口在必要时可以将来自大气或者与接口23相连的气体网络的附加压力气体存入压力气体循环。
如果需要将压力气体从具有较高气体压力的存储空间输送至具有较低气体压力的存储空间，则通过对可控阀装置24、25的控制激活膨胀机21。通过流经膨胀机21的膨胀的压力气体，可以由膨胀机21产生电能并且输出给能量供应网络2。膨胀机21同样可以与接口23相连或者能与其连接，以便排出可能存在于压力气体系统中的过大气体量。
所述部件11、12、17、18、21、22、23、24、25由此形成压力气体循环。
抽水蓄能电站1的压力气体循环一方面可以用于通过气体过压将液态介质5从下部存储空间11泵送至上部存储空间12或者至少支持泵27的功能(电站的水运行模式)。所述压力气体循环还可以用于将能量供应网络2的能量以提高的气体压力的形式中间存储在膨胀机21中并且在需要时通过在膨胀机21中的膨胀再输出给能量供应网络2。以此方式，可以实现组合式泵蓄能-压力气体蓄能电站(电站的涡轮运行模式)。
除了液体循环和压力气体循环，还在抽水蓄能电站1中设有第三循环，即热循环33。所述热循环33热学地连接液体管路15、16和压力气体管路17、18。如从图1可以看出，热循环33例如可以通过供液态介质流通的热交换器32和供压力气体流通的热交换器33构成，其中，热交换器32、33相互连接。通过热交换器32、33，可以通过可由控制装置13控制的热循环泵31泵送热交换介质(通常为液态介质)，以便在液体循环与压力气体循环之间进行热交换。所述控制装置13可以在需要时打开和关闭热循环泵31。
热循环30也可以按照不同于图1所示的方式实现，例如由此实现，即分别将液体管路15、16布置在各压力气体管路17、18内部，从而使压力气体在剩余的环形空间中运输。
图2示出发电站9，其只具有之前所述的压力气体循环，即不具有液体循环。所述发电站由此在所谓的气体模式中运行。图2所示的与图1中附图标记相同的部件相当于已经根据图1描述的部件。与按照图1的抽水蓄能电站不同，在按照图2的发电站9中，存储空间11、12可以布置在地下或者必要时地上的任意深度层中，因此也可以利用其它现有的地层来建设发电站9。与已知的压缩空气蓄能电站相反，发电站9具有基本上封闭的压力气体循环，所述压力气体循环具有两个存储空间11、12，压力气体4、6可以在这两个存储空间之间来回运输。由于系统是封闭的，总是可以在存储空间11、12内保持一定的压力气体4、6的最低压力，因此能够以比在已知的压缩空气蓄能电站中明显更高的能效实现能量存储运行，在已知的压缩空气蓄能电站中只存在一个存储空间并且所存储的空气总是从大气水平进行压缩并且再膨胀至大气水平。
以下给出抽水蓄能电站1或发电站9的运行的其它例子。之前提到的存储空间11、12也称为洞穴。
将液体在处于不同深度层中的两个空腔之间来回泵送是不能毫无阻力地实现的。为此通常将泵安装在最下部的水池下方。原因是泵需要预压力，由此使液体能够顺着落差流入泵中。泵只能形成压力并且将液体向上泵送。出于物理原因，用泵抽吸液体只能在不超过约8至10m的高度实现。当高差更大时流体会中断并且泵空转。
在之前和以下描述一种用于在地下抽水蓄能电站中存储势能的方法。如已经示出的那样，泵存储所需的上部和下部水池可以设计为地下空腔。液体不能顺利地通过布置在地上的泵(但这在技术和经济上是期望的)完成在两个水池之间运输的缺陷在此处描述的方法中如此得以克服，即，将两个洞穴与另一管路连接，并且用气体压力加载洞穴。所述洞穴中的气体压力可以高到使得对于其它管路中的液体在泵上形成这样的压力，所述压力足够大以实现相反地泵送液体。所述压力应大于地表的空气压力，更准确的值将在以下对例子的描述中给出。
将压缩的气体引入系统同样需要较大的能耗，所述能耗同样可以用于能量存储。在此处描述的发明中，这种存储的能量同样可以转化为对通过气体运行的涡轮机(膨胀涡轮机)的做功。系统中所需的气体压力通过压缩机产生。
如果应使系统中现有的气体压缩和膨胀，这同样可以从一个洞穴到另一洞穴进行。为此，将洞穴之一、优选是下部洞穴置于更高的压力。这可以通过现有的压缩机进行，或者也可以通过泵送液体进行，其中，洞穴以适当方式相互隔开。
如果通过压缩机进行压缩，则产生热。所述热可以通过热交换器排放到在对流中流动的液体中并且存储在其中。在膨胀时，可以再从相反的液体流中提取热、输入到气体中并且在膨胀涡轮机中转化为做功。作为热交换器可以选择适当的技术装置，但当气体和液体只在一个钻孔中流动时，热交换也可以在钻孔中进行，其中，液体在上升管中流动并且气体在环形空间内流动。这种装置符合标准地应用于石油和天然气存储中。气体和液体在钻孔中以对流流动。
至此描述的系统的另一优点在于，气体并不完全膨胀，而是在第二洞穴中在已压缩的状态下存储。如果气体不是从大气压力开始压缩，而是从更高的压力开始，则表示有更多能量保存在容积功中而没有转化为热，这对效率有积极影响。这种优点同样在以下的例子中进行阐述。
空腔(以下称为洞穴)产生于不同的深度处。上部洞穴12的顶部应处于900m的深度处，下部洞穴11的顶部处于1650m的深度处。洞穴11、12应分别具有500000m3的容积。在每个洞穴中开设两个钻孔，其中一个钻孔可在洞穴的制造过程中已经通过溶浸采矿产生。应将液体泵送其中的钻孔具有30英寸(762mm)的有效直径，并且压缩气体应在其中来回运输的钻孔具有20英寸(508mm)的有效直径。
这种钻孔可以按照标准制造，处于这种原因使用在钻孔工业中常见的以英寸为单位的US尺寸。在系统中使用的液体应具有1250kg/m3的密度。由此在下部洞穴顶部通过液体柱产生的压力约为202bar。为了在地表处得到4bar的液体柱压力，需要总共以约206bar的气体压力(在洞穴顶部测量)加载下部洞穴。在上部洞穴中，当例如使用空气作为气体时，形成约187bar的压力(在洞穴顶部测量)。可以加载上部洞穴的最大压力约为190bar。所述压力受到岩石的山体力学性质限制并且可能与在此给出的值存在偏差。无论如何应遵守该最大压力。在这种方式中同样遵守下部洞穴的最大允许运行压力。
两个洞穴与循环泵送液体的管路相连并且与来回输送气体的管路相连。所述下部洞穴可以通过该管路加载压力。如果系统中的压力通过压缩的空气保持在液体的静液压力之上，则可以通过安装在地上的泵将液体从下部洞穴输送至上部洞穴。此外，为了发电，可以通过涡轮机将液体从上部洞穴中导出。
对于气体和液体，在管路中的压损约为3bar，气体的流动速度约为8m/s，液体的流动速度约为3.5m/s。
在所述系统中，可以将约1200MWh作为势能存储在液体中。对于给出的流动速度，对于时长为84小时的放电，涡轮机26上的功率约为10MW。所述系统优选适用于很多天中的长时间存储。功率的提高可以通过以下方式实现，即使用具有更大直径的钻孔或者平行地使用多个钻孔。
对于电流存储，应既能满足长期存储时间段(很多天)也能满足短期存储周期(一天或者一夜)或者短期功率峰值。
所述系统同样可以用于短时间产生功率。如果例如通过向上泵送水而使下部洞穴11中的压力提高了20bar，则可以通过接下来从系统中的膨胀在2小时中达到约50MW的功率，其中，洞穴中温度的改变只有约10℃。这种过程可以用于短时间地产生功率。
如果气体没有做功，则在压缩气体时产生热，相反，在膨胀时必须输入形式为热的能量，由此使气体能够做功并且不会过于强烈地冷却。在至此建议的用于存储能量的过程中，压缩来自大气的空气并且储存在空腔中。如上所述，所述空腔有较大规模，例如是岩洞。这种洞穴中的压力根据深度约为150至250bar。
如果将气体从大气压(约1bar)压缩到150bar，则温度约升高530开尔文。如果压缩气体储存在1m3的容积内，则在该过程中产生约25KWh的热。而在气体膨胀时所包含的能量(p·V)只有约4.2kWh。在完全膨胀时又需要输入等量的热，因为否则会在设备中结冰。如果在压缩时产生的热不能存储并且在膨胀时没有再输入到所述过程中，则所述过程只有约为14％的极低效率，其中，效率由机械做功w与总体耗费的能量(热q+做功w)之比得出(4.2/(25+4.2))。
由于强烈的变热，从大气压力开始的气体压缩大规模分阶段地进行，这期间必须对气体进行冷却。这例如能够以等温压缩为例进行阐述。在等温压缩中产生的热量可以如下地计算：
q＝nRT·ln(p1/p2)
q是热量，n是气体量(单位为mol)，R是一般气体常量，T是温度，p1是输入压力，p2是输出压力。
这表示，对于将1mol气体从1bar压缩到10bar的过程正好产生了与从10bar压缩到100bar相同的热量，而气体所含的压缩能量p·V(p是压力，V是容积)在第一阶段小于第二阶段并且温度变化相同。
由这些观察得出，为了存储能量从更高的压力水平开始(压缩)是有利的。
这可以在所述过程不是在例如1bar至150bar之间而是例如在130bar至150bar之间进行的情况下实现。在膨胀时产生的气体需要储存在另一空腔中，在该空腔中气体又可用于压缩。在该过程中，所产生的热量相对于1m3的空腔容积为0.7kWh并且压缩能量约为0.6kWh。在这种情况下效率为46％。
对于这种能量存储可以使用上述洞穴，其中，可以省去液体和为其所需的装置以及管路。将洞穴设置在不同深度上同样不是必须的，但这样有利于更好地满足山体力学要求。在使用此处所述系统的情况下，应将下部洞穴11置于280bar的压力，表面的压力约为230bar。洞穴中的压力应通过以较高速率从洞穴中提取气体而膨胀20bar。洞穴中的温度变化约为7℃。所述气体被输入膨胀涡轮机21中并且在该处以70bar的压差膨胀。在此，所述气体的温度进一步降低约35℃。在该过程中做功，在每小时2兆标准立方米的流动速度下，功率约为30MW。
随后将气体储存在第二洞穴12内，如果所述第二洞穴与第一洞穴大小相同，则压力在约130至150bar之间。
由所述第二洞穴12可以再次将气体置于第一洞穴中的高压，其中，压力和温度的变化沿相反方向进行。
所述过程的优点是，在洞穴中出现的压力和温度变化按照当前适用于地下天然气存储的准则是允许的。气体的冷却和预热可以取消并且地上设备和钻孔以及洞穴均不会由于过度的温度和压力变化而承受负荷。
附图标记清单
1 抽水蓄能电站
2 能量供应网络和/或直接的电流源和集电器
3 地表
4 压力气体
5 液态介质
6 压力气体
7 液态介质
8 高差
9 发电站
10 发电站机组
11 下部或第一存储空间
12 上部或第二存储空间
13 控制装置
14 电力线路
15 液体管路
16 液体管路
17 压力气体管路
18 压力气体管路
19 辅助设备
20 电力线路
21 膨胀机
22 压缩机
23 压力气体接口
24 可控阀装置
25 可控阀装置
26 液体涡轮机
27 泵
28 可控阀装置
29 可控阀装置
30 热循环
31 热介质泵
32 热交换器
33 热交换器

Claims (27)

1.一种抽水蓄能电站(1)，具有至少一个布置在地下的下部存储空间(11)和至少一个与所述下部存储空间分开的、布置在地上或地下的上部存储空间(12)，其中，所述下部存储空间(11)布置在比所述上部存储空间(12)更大的深度处，所述抽水蓄能电站还具有至少一个分别导引到所述上部存储空间(12)和下部存储空间(11)中的液体管路(15、16)，所述液体管路与所述抽水蓄能电站(1)的至少一个液压式动力机械和/或做功机械(26、27)相连或者能通过可通断的阀(28、29)连接，并且所述抽水蓄能电站具有至少一个分别导引到所述上部存储空间(12)和下部存储空间(11)中的压力气体管路(17、18)，所述压力气体管路与所述抽水蓄能电站(1)的压力气体动力机械和/或做功机械相连或者能通过可通断的阀(24、25)连接，其中，所述抽水蓄能电站(1)设计用于将液态介质(5、7)通过所述液体管路(15、16)和液压式动力机械和/或做功机械(26、27)从上部存储空间(12)运输至下部存储空间(11)并且从下部存储空间(11)运输至上部存储空间(12)，并且所述压力气体动力机械和/或做功机械设计用于至少在所述下部存储空间(11)内自由选择地产生压力气体(4、6)的气体压力，所述气体压力可以与所述上部存储空间(12)中的气体压力不同，其中，所述抽水蓄能电站(1)具有至少一个控制装置(13)，所述压力气体动力机械和/或做功机械具有至少一个用于产生压缩的压力气体的压缩机(22)和用于通过来自所述上部或下部存储空间(11、12)的压力气体(4、6)的膨胀将能量输出至公共的和/或非公共的能量供应网络(2)和/或直接输出至集电器的膨胀机(21)，所述控制装置(13)设计用于当压缩的压力气体(4、6)在膨胀机中膨胀时通过控制液压式动力机械和/或做功机械(26、27)将液态介质(5、7)从另一存储空间(11、12)传输至被提取了压力气体(4、6)的那个存储空间(11、12)。
2.按权利要求1所述的抽水蓄能电站，其特征在于，所述至少一个控制装置设计用于当液态介质(5、7)应从所述下部存储空间(11)运输至上部存储空间(12)时，通过控制压力气体动力机械和/或做功机械来提高所述下部存储空间(11)内的气体压力。
3.按前述权利要求之一所述的抽水蓄能电站，其特征在于，所述液体管路(15、16)和/或所述压力气体管路(17、18)从上方或者从侧面引入所述上部或下部存储空间(11、12)内。
4.按权利要求1所述的抽水蓄能电站，其特征在于，所述控制装置(13)设计用于当压缩的压力气体(4、6)在膨胀机中膨胀时通过控制液压式动力机械和/或做功机械(26、27)将如此多的液态介质(5、7)引入被提取了压力气体(4、6)的存储空间(11、12)，使得该存储空间(11、12)中的气体压力基本上保持不变或者至少不明显降低。
5.按权利要求4所述的抽水蓄能电站，其特征在于，所述控制装置(13)设计用于当压缩的压力气体(4、6)在膨胀机中膨胀时通过控制液压式动力机械和/或做功机械(26、27)将如此多的液态介质(5、7)引入被提取了压力气体(4、6)的存储空间(11、12)，使得该存储空间(11、12)中的压力气体(4、6)的温度升高。
6.按权利要求1所述的抽水蓄能电站，其特征在于，设有热循环(30)，所述热循环具有至少一个供压力气体(4、6)流通的热交换器(33)和至少一个供液态介质(5、7)流通的热交换器(32)，其中，所述热交换器(32、33)能够这样受控地相连，从而将在压力气体(4、6)压缩时产生的热输入液态介质(5、7)和/或在压力气体(4、6)膨胀时将热从液态介质(5、7)输入压力气体(4、6)。
7.按权利要求6所述的抽水蓄能电站，其特征在于，所述控制装置(13)设计用于在来自所述下部存储空间(11)的压力气体(4、6)膨胀期间通过控制热循环(30)借助热交换器(32、33)在与从上部存储空间(12)中提取的液态介质(5、7)的对流中预加热所述压力气体(4、6)。
8.按权利要求1所述的抽水蓄能电站，其特征在于，所述控制装置(13)设计用于将压力气体(4、6)的气体压力随时间的变化限定为预设的极限值。
9.按权利要求1所述的抽水蓄能电站，其特征在于，所述控制装置(13)设计用于接收并且处理能量存储请求，当通过能量存储请求而要求短时能量存储时，提高所述上部和/或下部存储空间(11、12)中的压力气体(4、6)的气体压力，并且在能量存储请求要求比短时能量存储更长的能量存储时长时，将液态介质(5、7)从下部存储空间(11)运输至上部存储空间(12)。
10.按权利要求1所述的抽水蓄能电站，其特征在于，所述液态介质(5、7)是盐水、含盐水的液体混合物或者其它液体混合物，并且所述压力气体(4、6)是压缩空气或者其它气体或者其它气体混合物。
11.按权利要求1所述的抽水蓄能电站，其特征在于，在所述上部和/或下部存储空间(11、12)中布置有一个或多个用于运输液态介质(5、7)的潜水泵。
12.按权利要求1所述的抽水蓄能电站，其特征在于，在所述液态介质(5、7)和所述压力气体(4、6)之间具有机械的和/或化学的分隔层。
13.按权利要求1所述的抽水蓄能电站，其特征在于，所述液体管路和/或所述压力气体管路通过从地表垂直或者倾斜地延伸的钻孔从上方或者从侧面引入所述上部或下部存储空间内。
14.一种发电站(9)，具有处于相同或不同深度层的至少一个第一和与之分开的第二存储空间(11、12)，并且具有至少一个分别导引到所述第一存储空间(11)和第二存储空间(12)中的压力气体管路(17、18)，所述压力气体管路与所述发电站的压力气体动力机械和/或做功机械相连或者能通过可通断的阀连接，其中，所述压力气体动力机械和/或做功机械设计用于自由选择地分别在所述第一和第二存储空间(11、12)中产生压力气体(4、6)的大小不同的气体压力，所述发电站还具有控制装置(13)，所述控制装置设计用于在来自某一存储空间(11、12)的压力气体(4、6)膨胀时将膨胀的压力气体输入另一存储空间(11、12)，其中，所述控制装置(13)设计用于在第一存储空间(11)内产生比在第二存储空间(12)内更高的压力，并且在压力气体(4、6)膨胀时，用更高的压力从存储空间中提取压力气体(4、6)、导引通过膨胀机并且将膨胀的压力气体(4、6)输入另一存储空间(11、12)中。
15.按权利要求14所述的发电站，其特征在于，所述控制装置(13)设计用于在压力气体(4、6)从存储空间(11、12)膨胀时使该存储空间(11、12)中的气体压力不会下降到预设的最低压力值以下。
16.按权利要求15所述的发电站，其特征在于，所述预设的最低压力值在60至100bar的范围内。
17.一种用于借助按权利要求2至13之一所述的抽水蓄能电站(1)存储能量的方法，其中，压力气体(4、6)通过膨胀机膨胀并且借助膨胀机将能量输出至公共的和/或非公共的能量供应网络(2)和/或直接输出至集电器，当压缩的压力气体(4、6)在膨胀机中膨胀时，将液态介质(5、7)从另一存储空间(11、12)传输至被提取了压力气体(4、6)的那个存储空间(11、12)，当压缩的压力气体(4、6)在膨胀机中膨胀时，将如此多的液态介质(5、7)引入被提取了压力气体(4、6)的存储空间(11、12)，使得该存储空间(11、12)中的气体压力基本上保持不变或者至少不明显降低。
18.按权利要求17所述的方法，其特征在于，当液态介质(5、7)应从所述下部存储空间(11)运输至上部存储空间(12)时，提高所述下部存储空间(11)内的气体压力。
19.按权利要求17所述的方法，其特征在于，当压缩的压力气体(4、6)在膨胀机中膨胀时，将如此多的液态介质(5、7)引入被提取了压力气体(4、6)的存储空间(11、12)，使得该存储空间(11、12)中的压力气体(4、6)的温度升高。
20.按权利要求17所述的方法，其特征在于，在压力气体(4、6)压缩时产生的热通过热循环(30)输入液态介质(5、7)和/或在压力气体(4、6)膨胀时将热从液态介质(5、7)输入压力气体(4、6)。
21.按权利要求20所述的方法，其特征在于，在来自所述下部存储空间(11)的压力气体(4、6)膨胀期间，通过热交换器(32、33)在与从上部存储空间(12)中提取的液态介质(5、7)的对流中预加热所述压力气体(4、6)。
22.按权利要求17所述的方法，其特征在于，在压力气体(4、6)膨胀期间，将压力气体(4、6)的气体压力随时间的变化限定为预设的极限值。
23.按权利要求17所述的方法，其特征在于，在通过能量存储请求而要求短时能量存储的情况下，提高所述上部和/或下部存储空间(11、12)中的压力气体(4、6)的气体压力，并且在能量存储请求要求比短时能量存储更长的能量存储时长的情况下，将液态介质(5、7)从下部存储空间(11)运输至上部存储空间(12)。
24.一种用于借助按权利要求14至16之一所述的发电站存储能量的方法。
25.按权利要求24所述的方法，其特征在于，在来自某一存储空间(11、12)的压力气体(4、6)膨胀时，将膨胀的压力气体(4、6)输入另一存储空间(11、12)中。
26.按权利要求25所述的方法，其特征在于，在第一存储空间(11)内产生比在第二存储空间(12)内更高的压力，并且在压力气体(4、6)膨胀时，用更高的压力从存储空间(11、12)中提取压力气体(4、6)、导引通过膨胀机并且将膨胀的压力气体(4、6)输入另一存储空间(11、12)中，其中，由膨胀机将能量输出至公共的和/或非公共的能量供应网络(2)和/或直接输出至集电器。
27.按权利要求25或26所述的方法，其特征在于，在压力气体(4、6)从存储空间中膨胀出时，该存储空间中的气体压力不会下降到预设的最低压力值以下。
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