DE102008028764A1

DE102008028764A1 - Mechanisches Hubspeicher Kraftwerk mit Seilwindenhub

Info

Publication number: DE102008028764A1
Application number: DE102008028764A
Authority: DE
Inventors: Werner Rau
Original assignee: Rau Werner Dipl-Phys
Current assignee: Rau Werner Dipl-Phys
Priority date: 2007-04-14
Filing date: 2008-06-17
Publication date: 2011-01-05
Also published as: DE102008003693A1; DE102008003538A1; DE102007017695A1; DE102008036795A1

Abstract

Mechanische Hubvorrichtungen mit Seilwindenhub 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 Speic der Stromnetze eingesetzt.

Description

Bedeutung der Stromenergiespeicherung
Wagner beschreibt die Anforderungen an eine sichere Stromversorgung. Sie 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
Das Anheben bzw. Absenken einer Masse ist mit dem Einsatz bzw. dem Gewinn von Energie verbunden. Die potentielle Energie eines Masseträgers, der an der Erdoberfläche angehoben wird ist. E_pot = M × g × h
Die Beschleunigung eines Masseträgers beträgt an der Erdoberfläche g = 9,81 m/s² Um einen Körper der Masse M = 1 kg mit der Hilfe eines elektrischen Antriebs um die Höhe h = 1 m anzuheben, ist eine elektrische Arbeit zu leisten:
9,81 Nm = 9,81 Ws
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 bekannt, dass die Bremsenergie von Fahrzeugen (Züge, Autos) auch bei Talfahrten genutzt wird, um mitgeführte Batterien nachzuladen. Die Schweizer Bahnen haben Lokomotiven entwickelt, die die Bremsenergie der Züge in Strom umwandeln und in das Bahnnetz zurückspeisen. Ziel dieser Entwicklungen war zunächst, die mechanischen Bremsen bei langen Talfahrten zu entlasten. Inzwischen gewinnt die Rückgewinnung von Bremsenergie und damit die Energieersparnis zunehmend an Bedeutung. Je nach Art der Fahrzeuge lassen sich zwischen 30 und 70% der bei Bergfahrten eingesetzten Energie zurückgewinnen.
Es ist bekannt, dass Seilwinden die potentielle Energie schwerer Lasten beim Absenken ebenfalls rekuperieren.
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 Nachfrage nach Regelenergie steigt.
Die Speicherkapazitäten für elektrische Energie sind knapp. Die Stromerzeugung aus Wasserkraft ist an das Vorkommen von Wasser bei geeigneten Höhenunterschieden gebunden. Der Zubau von Pumpspeicher Kraftwerken ist stark begrenzt.
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 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 elektrischer Energie nutzen und die Kapazitäten zur Speicherung elektrischer Energie erhöhen.
Hubspeicher Kraftwerk mit Seilwindenhub
Patentantrag 10 2007 017 695.5-13 beschreibt die allgemeine Funktionsweise eines Hubspeicher Kraftwerks mit Seilwindenhub und dessen Vorteile. Die Zeichnungen 1 und 2 skizzieren eine besonders vorteilhafte Anordnung eines Hubspeicherkraftwerks mit Seilwindenhub.
Eine Seilwinde 2 hebt bei hohem Stromangebot nacheinander mehrere Masseträger 1 an. Bei niedrigem Stromangebot werden die Masseträger 1 abgesenkt und die potentielle Energie über einen Stromgenerator in Strom zurück gewandelt. An den Windenrahmen der Seilwinde 2 ist ein Fahrwerk angebracht, das die Seilwinde auf dem Trägerportal seitlich verfährt. An dem Masseträger 1 sind seitlich ausfahrbare Abstellvorrichtungen 4 angebracht. Das Trägerportal ist am oberen Ende zu einer Stufe ausgeformt, auf der der Masseträger abgestellt wird. Zum Absenken hebt die Winde 2 den Masseträger geringfügig an und die Abstellvorrichtung 4 wird eingefahren.
Die im Patentantrag 102007017695.5-13 dargelegten Vorteile werden durch die skizzierte Vorrichtung um folgende Punkte ergänzt:
Seilwinden zum Anheben schwerer Gewichte sind teuer. Sie verursachen einen wesentlichen Anteil an den Herstellkosten eines Hubspeicherkraftwerks. Durch die skizzierte Vorrichtung werden die Kosten einer Seilwinde auf den Hub mehrerer Masseträger verteilt. Die spezifischen Kosten je gespeicherter kWh Energie werden gesenkt.
Das skizzierte Hubkraftwerk kann entsprechend dem Zweck der Anwendung (z. B. Grundlastenergie oder Regelenergie) konfiguriert und damit an das Preisgefüge für Strom angenähert werden. Bei Hubspeicherkraftwerken, die große Mengen elektrischer Energie für einen oder mehrere Tage Speichern sollen, werden einer Seilwinde mehr Gewichte zugeordnet. Hubspeicherkraftwerke für die Erzeugung von Regelenergie werden mit wenigen Gewichten je Seilwinde ausgestattet.
Eine Beispielrechnung veranschaulicht die Größenordnungen:
Wie im Patentantrag 10 2007 017 695.5-13 dargelegt, erzeugt das Anheben eines Masseträgers von 360 t um 100 m eine potentielle Energie in Höhe von 100 kWh.
Werden von einer Seilwinde nacheinander 10 Gewichte angehoben, so entsteht eine potentielle Energie von 1000 kWh = 1 MWh. Ein Hubspeicherkraftwerk mit 20 Seilwinden und 200 Gewichten hat ein Speichervermögen von 20 MWh. Bei einer Nennleistung von 200 kW je Winde entsteht eine gesamte Nennleistung des Hubspeicherkraftwerks von ca. 4 MW. Der Inhalt des Hubspeichers wird in ca. 5 Stunden in das Netz zurückgespeist.
Bezugszeichenliste

1: Gewicht (Masseträger)
2: Seilwinde mit Windenrahmen auf Rädern
3: Trägerportal
4: Abstellvorrichtung des Masseträgers

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 Seilwinde angehoben wird. Der Strom zum Antrieb des Elektromotors wird dem Netz entnommen. Das Gewicht des Masseträgers treibt beim Absenken einen Stromgenerator an und speist den erzeugten Strom in das Netz zurück.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass eine Seilwinde bei hohem Stromangebot mehrere Gewichte nacheinander anhebt und auf einer hoch gelegenen Unterlage (Trägerportal) abstellt. Bei hoher Stromnachfrage senkt die Seilwinde die Gewichte nacheinander ab und erzeugt über einen Generator Strom, der in das Netz zurückgespeist wird.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Gewichte, die von einer Seilwinde bewegt werden, kostenoptimal auf den geforderten Speicherinhalt und die geforderte Abgabeleistung des Hubspeicherkraftwerks abgestimmt wird.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Hub- und Absenkgeschwindigkeit der Seilwinde 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 Seilwinden unabhängig voneinander angestoßen werden.