DE102007062672A1

DE102007062672A1 - Hydraulisches Hubspeicher Kraftwerk

Info

Publication number: DE102007062672A1
Application number: DE102007062672A
Authority: DE
Inventors: Werner Rau
Original assignee: Rau Werner Dipl-Phys
Current assignee: Rau Werner Dipl-Phys
Priority date: 2007-04-14
Filing date: 2007-12-24
Publication date: 2009-08-13
Also published as: DE102008006897A1

Abstract

Hydraulische Hubvorrichtungen erzeugen potentielle Energie, indem sie schwere Masseträger unter dem Einsatz elektrischer Energie oder von Teibstoffen anheben. Die potentielle Energie der Masseträger wird vermindert, um die Verluste der Vorrichtungen durch Absenken der Masseträger über Generatoren in Strom zurückzuverwandeln. Das Verfahren wird analog zu den bekannnten Pumpspeicher-Kraftwerken zur Speicherung elektrischer Energie und zur Stabilisierung der Stromnetze eingesetzt. Das Verfahren wird auch zur Steigerung der energetischen Effizienz von Hubvorrichtungen eingesetzt.

Description

Bedeutung der Stromenergiespeicherung
Eine sichere Stromversorgung setzt voraus, dass das Stromangebot jederzeit exakt genau so groß ist wie die Stromnachfrage. Pumpspeicher Kraftwerke leisten dabei einen wichtigen Beitrag zur Stabilisierung der Stromnetze.
Die bekannten Pumpspeicher-Kraftwerke bestehen aus zwei Wasserbecken, die höhenmäßig möglichst weit auseinander liegen. Dazwischen ist das eigentliche Kraftwerk mit den Turbinen, Pumpen und Generatoren/Motoren angeordnet. Soll das Kraftwerk Strom liefern, wird das Wasser vom Oberbecken über die Turbinen in das Unterbecken geleitet. Soll das Oberbecken gefüllt werden, wird der Weg des Wassers umgekehrt. Die Generatoren werden dann als Motoren für den Antrieb der Pumpen genutzt, die das Wasser nach oben pumpen.
Den Strombedarf für den Pumpvorgang liefern heute meist Grundleistungskraftwerke in bedarfsarmen Zeiten. Zunehmend werden aber auch Angebotsspitzen z. B. aus der Windkraft zur Befüllung der oberen Becken genutzt. Der Wirkungsgrad von Pumpspeicherkraftwerken beträgt bis zu 80%. Der Energieverlust durch die Umwälzung des Wassers wird durch die Betriebsvorteile bei den Grundleistungs-Kraftwerken und Beiträge für die kurzfristige Versorgungssicherheit aufgewogen. Die Kosten für den Spitzenlaststrom aus Pumpspeicherkraftwerken können bei hoher Nachfrage bis zu 2 EUR je kWh erreichen.
Die Energiebilanz der Bundesrepublik Deutschland weist für das Jahr 2006 einen Verbrauch an Pumpspeicherstrom in Höhe von 9,1 TWh aus. Damit wurden ca. 1,5% des Gesamtstromverbrauchs i. H. v. 614,6 TWh für die Stabilisierung der Netze und die Erhöhung der kurzfristigen Versorgungssicherheit eingesetzt.
Die Nutzung erneuerbarer Energien wie die Windenergie und oder die Solarstromerzeugung ist mit plötzlichen Schwankungen (Minutenreserve) verbunden, die ausgeglichen werden müssen. Hinzu kommen die natürlichen Schwankungen des Stromangebots über den Tagesverlauf und die Jahreszeiten. Pumpspeicher Kraftwerke werden insbesondere eingesetzt um die kurzfristigen Nachfrage- bzw. Angebotsschwankungen nach Strom auszugleichen. Der Bedarf an Kraftwerken dieser Art ist tendenziell steigend. Der Zubau an Pumpspeicherkraftwerken ist u. a. auch aufgrund von Naturschutzaspekten kaum noch möglich.
Bedeutung der Stromenergie Rückgewinnung (Rekuperation)
Hubvorrichtungen aller Art haben einen hohen Energieverbrauch. Im Zeichen des Klimaschutzes und knapper Energieressourcen gewinnt die Einsparung von Energie durch Effizienzsteigerung deutlich an Bedeutung.
Die Rekuperation elektrischer Energie kann wesentlich zur Effizienzsteigerung von Hubvorrichtungen und damit zur Einsparung von Energie beitragen.
Physikalische Grundlagen
Mechanische Arbeit und elektrische Arbeit sind äquivalent. Es gilt: 1 Nm = 1 Ws
Das Anheben bzw. Absenken einer Masse ist mit dem Einsatz bzw. dem Gewinn von Energie verbunden. Wird die Masse von 1 kg an der Erdoberfläche um 1 m angehoben, so ist eine Arbeit von 9,81 Nm = 9,81 Ws zu verrichten.
Die aufgewendete Arbeit zum Anheben des Körpers ist eine potentielle Energie, die beim Absenken des Körpers zurück gewonnen werden kann. Das Anheben eines Körpers kann damit zur Speicherung elektrischer Energie genutzt werden. In den nachfolgenden Beispielrechnungen wird vereinfachend das Anheben von 1 kg um 1 m mit 10 Ws angesetzt.
Stand der Technik
Es ist bekannt, dass die Schwerkraft gestauter Wassermassen zur Erzeugung elektrischer Energie und in Pumpspeicherseen zum Speichern elektrischer Energie genutzt wird. Dabei wird die Fließeigenschaft des Wassers genutzt, um große Massen bei geringen Energieverlusten anzuheben bzw. abzusenken. Zum Beispiel speichert das Pumpspeicher Kraftwerk Herdecke pro Füllung ein Arbeitsvermögen von 590 MWh.
Es ist ferner bekannt, dass Fahrzeuge (z. B. Lokomotiven, Autos) Bremsenergie mit der Hilfe von Vorrichtungen der Rekuperation in elektrische Energie zurückverwandeln.
Probleme beim Stand der Technik
Die zunehmende Nutzung Erneuerbarer Energien verringert den Anteil an Grundlaststrom aus fossilen Großkraftwerken. Es gibt zunehmend Zeiten mit einem Überschussangebot an Strom. Zu anderen Zeiten ist die Nachfrage nach Strom höher als das Angebot. Spitzen im Stromangebot müssen in die Zeiten geringen Stromangebots oder hoher Stromnachfrage verschoben werden. Die Speicherkapazitäten für elektrische Energie sind knapp. Die Stromerzeugung aus Wasserkraft ist an das Vorkommen von Wasser bei geeigneten Höhenunterschieden gebunden. Der Zubau an Pumpspeicher Kraftwerken ist stark begrenzt.
Die Rekuperation potentieller Energie in Hubvorrichtungen ist technisch noch weitgehend unerschlossen.
Lösung
Die Speicherung elektrischer Energie durch das „bergauf" pumpen von Wasser beruht physikalisch gesehen auf dem Anheben der Masse des Wassers. Alternativen zu den Pumpspeicher Kraftwerken ergeben sich, wenn das Speichermedium Wasser durch beliebige Masseträger z. B. Gestein, Beton, Eisen ersetzt wird.
Die Grundgleichung für die potentielle Energie beinhaltet bei gegebener Schwerkraft nur die Variablen: Masse und Hubhöhe. D. h. zum Speichern nennenswerter Mengen an Energie sind große Massen möglichst hoch anzuheben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren und Vorrichtungen zu entwickeln, die die Schwerkraft zur Erzeugung, Speicherung und Rückgewinnung elektrischer Energie nutzen und die Kapazitäten zur Erzeugung sowie Speicherung elektrischer Energie erhöhen.
Hydraulisches Hubspeicher Kraftwerk
Zeichnung 1 verdeutlicht die Funktionsweise eines hydraulischen Hubspeicher Kraftwerks Ein Elektromotor 4 treibt eine Hydraulikpumpe 5 an, die die Hydraulikflüssigkeit von der oberen Kammer eines Hydraulikzylinders 2 in die untere Kammer verpresst. Die Hydraulikflüssigkeit hebt dabei den Hydraulikkolben an, auf dem der Masseträger 1 ruht. Beim Absenken treibt die Schwerkraft des Masseträgers die Hydraulikvorrichtung in entgegen gesetzter Richtung an. Die zurückfließende Hydraulikflüssigkeit wird über eine Turbine 7 geleitet, die einen Stromgenerator 8 antreibt. Dieser speist den erzeugten Strom in das Netz zurück. Die Sperrventile 6 und 9 lenken die Fließrichtung und das Durchströmvolumen der Hydraulikflüssigkeit.
Zeichnung 2 zeigt eine kostengünstige Anordnung von 2 Hubvorrichtungen, deren Hydraulikzylinder über Druckleitungen verbunden sind. Die Pumpe 5 hebt beide Hydraulikkolben und der Rückstrom beider Hydraulikzylinder wird auf nur eine Turbine 7 geleitet. Das skizzierte Verfahren kann auf mehrere Hubeinheiten ausgedehnt werden.
Zusätzlich können der Elektromotor 4 und Stromgenerator 8 durch einen Motor ersetzt werden, der im Rücklauf Strom erzeugt. Die Komponenten Hydraulikpumpe 5 und Turbine 7 können in einer Umkehrturbine zusammengefasst werden.
Folgende Vorteile eines Hydraulischen Hubspeicher Kraftwerks können erreicht werden:
Hydraulische Hubspeicher Kraftwerke sind vom Vorkommen von Wasser unabhängig. Sie können z. B. auch in Wüstengebieten errichtet und betrieben werden. Hydraulische Hubspeicher Kraftwerke können auf jedem Gelände – auch im Flachland – erbaut und betrieben werden.
Hydraulische Hubspeicher Kraftwerke können ganz oder teilweise unter der Erdoberfläche errichtet werden oder das Fundament von Gebäuden eingebaut werden. Sie beanspruchen geringe Flächen und können z. B. in jedem Industriegebiet errichtet oder in Gebäude integriert werden. Der Verbrauch von landschaftlich wertvollen Flächen kann vermieden werden.
Hydraulische Hubspeicher Kraftwerke arbeiten umweltfreundlich und wartungsarm. Zum Bau werden nur Materialien benötigt, die schadstofffrei recycelt werden können.
Hydraulische Hubspeicher Kraftwerke können mit heute verfügbarer Technik errichtet werden. Hydraulische Hebewerke werden heute auf vielfältigste Weise genutzt. (z. B.: Verladekräne, Baukräne, Aufzüge, Förderkörbe in Bergwerken, Gabelstapler u. s. w.).
Hydraulische Hubspeicher Kraftwerke sind skalierbar, d. h. mehrere Kraftwerke können zu Speichersystemen mit hoher Speicherkapazität zusammengefasst werden. Eine Beispielrechnung veranschaulicht die erzielbaren Speicherkapazitäten:
Die Masseträger bestehen aus Eisen mit der Dichte von ca. 7,8 t pro m³. Die Masseträger haben die Form eines Quaders mit den Kantenlängen H × B × T = 5 × 3 × 3 m, das ergibt ein Volumen von 45 m³. Das Gesamtgewicht eines Masseträgers wird mit 45 m³ × 7,9 t/m³ ∼ 360 t angenommen. Das Anheben der Masseträger um 100 m kann mit heutiger Technik erreicht werden. Die potentielle Energie eines Speichermoduls beträgt dann: 360.000 kg × 100 m × 10 Ws/kg·m = 360.000.000 Ws 360.000.000 Ws/3.600 Ws = 100.000 Wh = 100 kWh
Die Grundfläche eines Speichermoduls beträgt 3 × 3 m ∼ 10 m². Auf einem ha Grundfläche können somit ca. 1000 Speichereinheiten errichtet werden. Das entspricht einer potentiellen Energie in Höhe von ca. 1.000 × 100 kWh = 100.000 kWh = 100 MWh.
Nur ca. 6 ha Grundfläche genügen, um das Speichervermögen des Pumpspeicher Kraftwerks Hedecke mit einem Speichervermögen i. H. v. 590 MWh zu erreichen. Die Beispielrechnung verdeutlicht, dass hydraulisch betriebene Hubspeicher Kraftwerke die Kapazität von Pumpspeicher Kraftwerken erreichen können.
Hydraulische Rekuperationsvorrichtung
Die Komponenten 7, 8 und 9, des hydraulischen Hubspeicher Kraftwerks bewerkstelligen die Umwandlung der hydraulischen Senkbewegung in elektrischen Strom. Sie können als eigenständige Vorrichtung in den Rückstrom der Hydraulikflüssigkeit von Hubvorrichtungen eingebaut werden.
Bestehende Anlagen können mit geringen Modifikationen so erweitert werden, dass Sie die potentielle Energie der angehobenen Masseträger in Strom zurückverwandeln. Bei neuen Anlagen kann die Fähigkeit zum Speichern elektrischer Energie konstruktiv vorgesehen und damit der Wirkungsgrad der Stromerzeugung optimiert werden.

1: Gewicht (Masseträger)
2: Hydraulikzylinder
3: Hydraulikkolben mit Schaft
4: Elektromotor
5: Hydraulikpumpe
6: Druckrohre mit Sperrventil Pumpe
7: Turbine
8: Stromgenerator
9: Druckrohre mit Sperrventil Turbine
10: Stromnetz
11: Fundament

Claims

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung und Speicherung elektrischer Energie, dadurch gekennzeichnet, dass beliebige Masseträger angehoben werden und deren potentielle Energie in Höhe von 9,81 Ws/kg·m verringert um die spezifischen Verluste der Vorrichtungen mit der Hilfe von Stromgeneratoren in elektrische Energie umgewandelt wird.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Speicherung oder Rückgewinnung elektrischer Energie dadurch gekennzeichnet, dass der Masseträger aus einem Behälter besteht, der mit schweren Materialien (z. B. Gestein, Beton, Sand, Eisen) gefüllt ist und mit der Hilfe eines elektrischen Antriebs über eine hydraulische Hubvorrichtung angehoben wird. Der Strom zum Antrieb des Elektromotors wird dem Netz entnommen. Das Gewicht des Masseträgers treibt beim Absenken über die Hydraulikvorrichtung eine Turbine an, die über einen Stromgenerator den erzeugten Strom in das Netz zurückspeist.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 zur Rückgewinnung elektrischer Energie dadurch gekennzeichnet, dass bei hydraulischen Hubvorrichtungen in den Rückstrom der Hydraulikflüssigkeit eine Turbine eingebaut wird, die über einen Stromgenerator den erzeugten Strom in das Netz oder in eine mitgeführte Batterie einspeist.
Verfahren und Vorrichtungen nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Absenkgeschwindigkeit der Masseträger verlustarm auf das gewünschte Lastprofil eingeregelt wird.