DE102008003693A1

DE102008003693A1 - Mechanisches Hubspeicherkraftwerk mit Zahnradhub

Info

Publication number: DE102008003693A1
Application number: DE102008003693A
Authority: DE
Inventors: Werner Rau
Original assignee: Rau Werner Dipl-Phys
Current assignee: Rau Werner Dipl-Phys
Priority date: 2007-04-14
Filing date: 2008-01-09
Publication date: 2009-07-23
Also published as: DE102008003538A1; DE102008028764A1; DE102007017695A1; DE102008036795A1

Abstract

Mechanische Hubvorrichtungen mit Zahnradantrieb erzeugen potentielle Energie, indem sie schwere Masseträger unter dem Einsatz elektrischer Energie 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 bekannten Pumpspeicher-Kraftwerken zur Speicherung elektrischer Energie und zur Stabilisierung der Stromnetze eingesetzt.

Description

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.
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 auch bekannt, dass Fahrzeuge (z. B. Lokomotiven, Autos) Bremsenergie mit der Hilfe von Vorrichtungen der Rekuperation in elektrische Energie zurückverwandeln.
Es ist ferner bekannt, dass Züge Bergstrecken ab einer Steigung von ca. 10% mit der Hilfe von Zahnradantrieben befahren.
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 Nutzung der Schwerkraft fester Masseträger zur Speicherung elektrischer Energie ist noch weitgehend unerforscht und 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 Speicherung und Rückgewinnung elektrischer Energie nutzen und die Kapazitäten zur Speicherung elektrischer Energie erhöhen.
Zahnrad Hubspeicher Kraftwerk
Zeichnung 1 verdeutlicht die Funktionsweise eines Zahnradhubspeicher Kraftwerks. An zwei gegenüber liegenden Stützwänden 5 sind Zahnstangen 4 angebracht. Auf einem Querträger 3 ruht der Masseträger 1. Zwei Hubwagen 2 sind über den Querträger 3 so verbunden, dass die Zahnräder 9 in die Zahnstangen 4 greifen.
Je ein Elektromotor 11 treibt über ein Getriebe 10 und ein Zahnrad 9 einen Hubwagen 2 an. Beide Elektromotoren sind synchronisiert und heben die Hubwagen gleichmäßig an. Zum Anheben des Masseträgers entnehmen die Elektromotoren den Strom aus dem Netz.
Beim Absenken treibt das Gewicht des Masseträgers die Zahnräder in entgegen gesetzter Richtung an. Die Elektromotoren/Stromgeneratoren 11 wandeln die potentielle Energie des Masseträgers in elektrische Energie um und speisen diese vermindert um den Wirkungsgrad der Vorrichtung in das Netz zurück.
Zeichnung 2 skizziert einen möglichen Aufbau eines Hubwagens in der Aufsicht und Seitenansicht.
Zeichnung 3 zeigt die Anordnung von zwei Hubvorrichtungen, die übereinander an den Zahnstangen 4 angehoben und abgesenkt werden können. Bei hohen Stützwänden z. B. in einem Bergwerksschacht können auch mehrere Hubvorrichtungen übereinander angebracht werden. Das Anheben und Absenken der Hubvorrichtungen wird unabhängig so gesteuert, dass die externen Speicher- und Lastanforderungen optimiert erfüllt werden. Z. B. können je nach Lastanforderung ein oder mehrere Hubvorrichtungen gleichzeitig abgesenkt werden. Dabei ist zu berücksichtigen, dass sich die Hubvorrichtungen nicht überholen können.
Dies Verfahren erhöht das Speichervermögen des Hubspeicherkraftwerks und es reduziert die spezifischen Kosten der gespeicherten elektrischen Energie.
Folgende Vorteile eines Zahnrad Hubspeicher Kraftwerks können erreicht werden:
Zahnrad Hubspeicher Kraftwerke sind vom Vorkommen von Wasser unabhängig. Sie können z. B. auch in Wüstengebieten errichtet und betrieben werden. Zahnrad Hubspeicher Kraftwerke können auf jedem Gelande – auch im Flachland – erbaut und betrieben werden.
Zahnrad Hubspeicher Kraftwerke können ganz oder teilweise unter der Erdoberfläche errichtet oder in 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.
Stillgelegte Bergwerksschächte und hohe Industriebauten können einer erneuten Nutzung zugeführt werden.
Hydraulische Hubspeicher Kraftwerke arbeiten umweltfreundlich und wartungsarm. Zum Bau werden nur Materialien benötigt, die schadstofffrei recycelt werden können.
Zahnrad Hubspeicher Kraftwerke sind skalierbar, d. h. mehrere Kraftwerke können zu Speichersystemen mit hoher Speicherkapazität zusammengefasst werden.
Eine Beispielrechnung veranschaulicht die erzielbaren Speicherkapazitäten: Der Masseträger besteht aus Eisen mit der Dichte von ca. 7,8 t pro m³. Die Masseträger haben die Form eines Quaders mit den Kantenlangen 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 eines Masseträgers um 1.000 m kann mit heutiger Technik in einem Bergwerksschacht erreicht werden. Die potentielle Energie eines Speichermoduls beträgt dann: 360.000 kg × 1.000 m × 10 Ws/kg·m = 3.600.000.000 Ws 3.600.000.000 Ws/3.600 Ws = 1.000.000 Wh = 1.000 kWh = 1 MWhWerden in dem gleichen Bergwerkschacht 10 Hubvorrichtungen eingesetzt, dann besitzt das gesamte Hubspeicher Kraftwerk ein Speichervermögen von 10 MWh.
Die Beispielrechnung verdeutlicht, dass mechanische über Zahnräder betriebene Hubspeicher Kraftwerke die Kapazität von Pumpspeicher Kraftwerken erreichen können.

1: Masseträger (z. B.: Steine, Beton, Eisen)
2: Hubwagen beinhaltet 9, 10, 11
3: Querträger
4: Zahnstange
5: Stützwand (z. B. Beton, Stahlträger)
6: Fundament
7: Hubhöhe
8: Stromnetz
9: Zahnrad
10: Getriebe
11: Elektromotor/Stromgenerator

Claims

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung 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 Vorrichtung mit der Hilfe von Stromgeneratoren in elektrische Energie umgewandelt wird.
Verfahren und Vorrichtung zur Speicherung und Rückgewinnung elektrischer Energie nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein Masseträger bestehend aus schweren Materialien (z. B. Gestein, Beton, Eisen) mit der Hilfe eines elektrischen Antriebs über eine mechanische Hubvorrichtung mit Zahnradantrieb angehoben wird. Der Strom zum Antrieb des Elektromotors wird dem Netz entnommen. Das Gewicht des Masseträgers treibt beim Absenken den Zahnradantrieb in entgegen gesetzter Richtung an. Die Drehbewegung des Zahnrads wird mit der Hilfe eines Stromgenerators in Strom verwandelt, der in das Netz zurückgespeist wird.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Hubvorrichtungen an gemeinsamen Stützwänden und Zahnstangen angeordnet sind.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Hub- und Absenkgeschwindigkeit der Hubmodule auf das Leistungsangebot bzw. an die Leistungsanforderung des Stromnetzes eingeregelt wird.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass ein Algorithmus die Leistungsaufnahme sowie Leistungsabgabe des Gesamtsystems nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten dadurch optimiert, dass die Bewegungen der einzelnen Hubvorrichtungen unabhängig voneinander angestoßen werden.