DE102008028764A1 - Mechanical Hubspeicher power plant with Seilwindenhub - Google Patents

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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.Mechanical lifting devices with cable winches generate potential energy by lifting heavy mass carriers using electrical energy. The potential energy of the mass carriers is reduced in order to convert the losses of the devices back into electricity by lowering the mass carriers via generators. The process is used in analogy to the known pumped storage power plants to store the power grids.

Description

  • Bedeutung der StromenergiespeicherungImportance of electricity energy storage
  • 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.wagner describes the requirements for a secure power supply. she assumes that the electricity supply is always exactly the same as the electricity demand. Pumped storage power plants make one important contribution to the stabilization of electricity grids.
  • 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.The known pumped storage power plants consist of two pools, the highest possible far apart. In between is the actual power plant arranged with the turbines, pumps and generators / motors. Should the power plant supply electricity, the water from the upper basin over the Turbines headed into the lower basin. Should the upper basin be filled, the way of the water is reversed. The generators are then as engines for used the drive of the pumps that pump the water up.
  • 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.The Electricity required for Today, the pumping process is usually delivered by basic power plants low-demand times. But there are also increasing supply peaks z. B. from wind power for filling used the upper basin. The efficiency of pumped storage power plants is up to 80%. The energy loss through the circulation of the water is through the operating advantages of the basic power plants and contributions to the short-term Security of supply balanced. The cost of peak load power out Pumped storage power plants can reach up to 2 EUR per kWh when demand is high.
  • 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.The Energy balance of the Federal Republic of Germany points for the year Consumption of pumped storage electricity of 9.1 TWh in 2006. With that were approx. 1.5% of the total electricity consumption i. H. v. 614.6 TWh for stabilization nets and raising used for short-term security of supply.
  • 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.The Use of renewable energies such as wind energy and or solar power generation is with sudden Fluctuations (minute reserve), which are compensated have to. Added to this are the natural ones Fluctuations in electricity supply over the course of the day and the seasons. Pumped storage power plants will be especially used for the short-term demand or supply fluctuations to balance electricity. The need for power plants of this kind is tends to increase. The addition of pumped storage power plants is u. a. also hardly possible due to nature protection aspects.
  • Physikalische GrundlagenPhysical basics
  • 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. Epot = M × g × h The raising or lowering of a mass is associated with the use or the gain of energy. The potential energy of a mass carrier that is raised at the earth's surface is. 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    The acceleration of a mass carrier at the earth's surface is g = 9,81 m / s 2 To raise a mass M = 1 kg with the help of an electric drive by the height h = 1 m, an electrical work has to be carried out:
    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.The The work done to lift the body is a potential one Energy when lowering the body back can be won. The lifting of a body can thus be used to store electrical Energy can be used. In the following example calculations Simplified is the lifting of 1 kg by 1 m with 10 Ws.
  • Stand der TechnikState of the art
  • 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.It It is known that the gravity of dammed water masses to produce electrical energy and in pump storage lakes for storing electrical Energy is used. The flow characteristic of the water is used, around big ones Raise or lower masses with low energy losses. For example, the pumped storage power plant stores Herdecke per filling Working capacity of 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.It is known that the braking energy of vehicles (trains, cars) is also used when driving down to reload batteries. The Swiss Railways have developed locomotives that provide the braking energy the trains convert into electricity and feed back into the railway network. Goal of these developments was first, to relieve the mechanical brakes during long descents. meanwhile wins the recovery of braking energy and thus the energy savings increasingly important. Depending on the type of vehicle can be between 30 and 70% of the Recover mountainous energy used.
  • Es ist bekannt, dass Seilwinden die potentielle Energie schwerer Lasten beim Absenken ebenfalls rekuperieren.It is known that winches the potential energy of heavy loads also recuperate when lowering.
  • Probleme beim Stand der TechnikProblems with the state of the art
  • 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.The increasing use of renewable energies reduces the proportion of base load electricity from large fossil power plants. There are increasingly times with excess supply of electricity. To others Times, the demand for electricity is higher than the supply. Peak electricity supply needs to be postponed to times of low electricity supply or high electricity demand. The demand for control energy is increasing.
  • 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.The storage capacity for electrical Energy is scarce. The power generation from hydropower is connected to the Occurrence of water bound at appropriate height differences. The construction of pumped storage power plants is very limited.
  • Lösungsolution
  • 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.The Storage of electrical energy is due to the "uphill" pumping of water physically speaking on raising the bulk of the water. alternatives to the pumped storage power plants arise when the storage medium Water by any mass carrier z. B. rock is replaced.
  • 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.The Basic equation for the potential energy for a given gravity only the variables: mass and lifting height. Ie. Saving appreciable amounts of energy are large masses preferably to raise high.
  • 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.Of the Invention is based on the object, methods and devices to develop the gravity to store electrical Use energy and capacities to increase the storage of electrical energy.
  • Hubspeicher Kraftwerk mit SeilwindenhubHubspeicher power plant with 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.Patent application 10 2007 017 695.5-13 describes the general functioning of a Hubspeicher power plant with Seilwindenhub and its advantages. The Drawings 1 and 2 outline a particularly advantageous arrangement a Hubspeicherkraftwerks with 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.A winch 2 raises several mass carriers one after the other with a high electricity supply 1 at. With low power supply, the mass carriers 1 lowered and the potential energy back into electricity via a power generator. To the winch frame of the winch 2 a chassis is attached, which moves the winch on the girder portal side. At the mass carrier 1 are laterally extendable storage devices 4 appropriate. The girder portal is formed at the upper end to a step on which the mass carrier is turned off. To lower raises the winch 2 the mass carrier slightly and the storage device 4 is retracted.
  • 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.    The advantages set out in patent application 102007017695.5-13 are supplemented by the following points by the device outlined:
    Winches for lifting heavy weights are expensive. They cause a significant proportion of the manufacturing costs of a Hubspeicherkraftwerks. The sketched device, the cost of a winch on the hub of several mass carriers are distributed. The specific costs per stored kWh of energy are reduced.
  • 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.The sketched lifting power plant can according to the purpose of the application (eg base load energy or control energy) configured and thus to the price structure for electricity approximated become. At Hubspeicherkraftwerken, the large amounts of electrical energy for one or several days to become a winch more Assigned weights. Hubspeicherkraftwerke for the production of control energy are equipped with a few weights per winch.
  • 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.    A sample calculation illustrates the orders of magnitude:
    As set forth in patent application 10 2007 017 695.5-13, the lifting of a mass carrier of 360 t by 100 m produces a potential energy of 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.Become lifted by a winch successively 10 weights, so arises a potential energy of 1000 kWh = 1 MWh. A Hubspeicherkraftwerk with 20 winches and 200 weights has a storage capacity of 20 MWh. With a rated output of 200 kW per winch, one is created total nominal capacity of the lift storage power plant of approx. 4 MW. Of the Contents of the Hubspeichers is fed back in about 5 hours in the net.
  • BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
    • 11
    Gewicht (Masseträger)Weight (Mass carrier)
    22
    Seilwinde mit Windenrahmen auf Rädernwinch with winch frame on wheels
    33
    Trägerportalsupport portal
    44
    Abstellvorrichtung des Masseträgersshelf device of the mass carrier

Claims (6)

  1. 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.Method and apparatus for generating electrical energy, characterized in that any mass carriers are raised and their potential energy in the amount of 9.81 WS / kg · m reduced by the specific losses of the device with the aid of power generators is converted into electrical energy.
  2. 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.Method and device for storage and recovery of electrical energy according to claim 1, characterized in that a mass carrier consisting of heavy materials (eg., Rock, concrete, iron) is raised with the help of an electric drive via a winch. Of the Power to drive the electric motor is taken from the grid. The weight of the mass carrier drives when lowering a power generator and feeds the generated electricity back into the network.
  3. 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.Method and device according to claim 2 characterized characterized in that a winch with high electricity supply several Lifting weights one after the other and on a high surface (Carrier Portal) turns off. When there is a high demand for electricity, the winch lowers the weights one after the other and generated over a generator power that is fed back into the grid.
  4. 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.Method and device according to claim 2 characterized characterized in that the number of weights by a winch be moved, cost optimal to the required memory content and the required output power of the Hubspeicherkraftwerks tuned becomes.
  5. 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.Method and device according to claim 2 characterized characterized in that the lifting and lowering speed of the winch on the service offering or the power requirement of the power grid is adjusted.
  6. 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.Method and device according to claim 3 thereby that an algorithm is the power consumption as well Power output of the entire system from the economic point of view optimizes that the movements of each winch independently initiated become.
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