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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verbundsystem zum Speichern von
mit Hilfe einer regenerativen Energiequelle erzeugter elektrischer
Energie mit Hilfe eines elektromechanischen Energiespeichersystems.
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Elektrischer
Strom hat die Eigenschaft, im selben Moment verbraucht werden zu
müssen,
in welchem er entsteht, d. h. generiert wird, sei es durch Wärmekraft-Maschinen,
Windkraftanlagen, Photovoltaik oder andere Stromerzeuger wie z.
B. Wasserkraftanlagen. Anhand von Großverteilungssystemen (Netzen),
wie sie heute üblich
sind, stellt sich ein gewisses Gleichgewicht zwischen erzeugtem
und verbrauchtem Strom ein. Dabei wird insbesondere versucht, den
Strom bedarfsgerecht zu erzeugen, wobei sich deutliche Schwankungen
durch bestimmte Verbraucher-Eigenschaften ergeben.
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Schon
seit langem wird nach Speichermöglichkeiten
gesucht, um solche Schwankungen des Energieverbrauchs auszugleichen.
Hierbei sind zu erwähnen:
Wasserkraft-Speicheranlagen, in denen in Stromüberschusszeiten Wasser von
einem unteren Vorrat in ein höher
liegendes Becken gepumpt wird. Diese werden auch als Pumpspeicherwerke
bezeichnet. Bei Bedarf wird Wasser wieder nach unten abgelassen
und einer Turbine zugeführt,
durch die ein Elektrogenerator zur Stromversorgung angetrieben wird.
Eine andere Möglichkeit
der Energiespeicherung sieht man in Preßluft-(Preßgas-)Anlagen, in die in der
Hochphase der Stromerzeugung Gas bzw. Luft in unterirdische Kavernen
eingepreßt
wird, aus denen man es bei Bedarf wieder zum Antrieb von Turbinen
und Generatoren ablässt.
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Eine
einfache Weise, Strom auf chemischem Weg zu speichern, ist eine
Batterie bzw. ein Akkumulator, der in dem Moment Strom abgibt, in
dem er vom Verbraucher benötigt
wird. Jedoch sind die Kapazitäten
der derzeit verfügbaren
Akkumulatoren bislang zu gering, um sie großtechnisch einzusetzen.
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Die
beiden erstgenannten elektromechanischen Speicherverfahren sind
allerdings, im Gegensatz zum Akkumulator, stark verlustbehaftet.
Verluste von bis zu 60% müssen
in die Kalkulation zwischen Einspeisung und Wiedergewinnung der
elektrischen Energie eingerechnet werden. Außerdem erfordern diese Verfahren
erhebliche Investitionen, deren Abschreibungen ebenfalls in die ökonomischen
Verluste eingehen. Darüber
hinaus weisen diese Systeme einen erheblichen Flächenbedarf auf. Aus diesem Grunde
haben sich die genannten Verfahren nur für sehr spezielle Anwendungen,
beispielsweise bei der Bahnstromerzeugung, allgemein durchsetzen
können.
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Besonderen
Schwankungen unterliegen Anlagen zur Stromerzeugung aus erneuerbaren
bzw. regenerativen Energiequellen, wie Windkraft, Photovoltaik usw.
Die Stromgewinnung aus Windkraft setzt Wind voraus, Solarstrom wird
nur bei Sonnenschein, also bei Tage, erzeugt. Hinzu kommt umgekehrt, dass
womöglich
aus diesen Energiequellen Strom gerade dann in größerer Menge
erzeugt wird, wenn er gar nicht gebraucht wird, die Anlagen somit
sinnwidrig abgeschaltet werden müssen,
da derzeit eine effektive Stromspeicherung in dem erforderlichen Umfang
nicht möglich
ist.
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Neuere Überlegungen
gehen davon aus, die Vielzahl von Batterien (Akkus) in zukünftigen
Elektrofahrzeugen als elektrische Puffer bzw. Zwischenspeicher zu
verwenden.
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Alle
diese Verfahren weisen durchweg Mängel auf, weil sie sehr aufwändig sind
und zudem schlechte Wirkungsgrade, somit hohe Verluste, aufweisen.
Andererseits sind sie an bestimmte geographische Voraussetzungen
gebunden, die nicht überall
angetroffen werden, zumal in stark besiedelten Gebieten. Ein weiterer
Nachteil ist darin zu sehen, dass es immer einer längeren Anlaufzeit
bedarf, bis diese Systeme ihren Betrieb aufnehmen. Dies in beiden
Richtungen: beim Speichervorgang und beim Abruf der gespeicherten
Energie. Insbesondere lassen es die genannten Systeme nicht zu,
gleichzeitig Energie zu speichern und aus dem Speicher abzugeben.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt gegenüber diesem Stand der Technik
die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile zu vermeiden und ein
System bereitzustellen, welches es ermöglicht, die aus regenerativen
Energiequellen kurzfristig bereitgestellte Energie zu speichern,
falls keine Nachfrage für
die gesamte Energiequelle besteht und die Energie kurzfristig abzugeben,
wenn der Energiebedarf durch die regenerative Energiequelle nicht
gedeckt werden kann.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verbundsystem aus einer Energiequelle und einem elektromechanischen
Energiespeicher gelöst, wobei
die Energiequelle und der elektromechanische Energiespeicher elektrisch
miteinander verbunden sind, wobei der elektromechanische Energiespeicher eine
Speichermasse, einen elektrischen Generator und einen Elektromotor
aufweist, wobei die Speichermasse über eine Befestigungseinrichtung
mit einer Welle des elektrischen Generators und einer Welle des
Elektromotors verbunden ist, wobei die Speichermasse mit Hilfe des
Elektromotors so antreibbar ist, dass sie einen Höhenunterschied überwindet
und ihre potenzielle Energie zunimmt und wobei die Speichermasse,
wenn sie einen Höhenunterschied überwindet,
so dass ihre potenzielle Energie abnimmt, den elektrischen Generator
antreibt. Dabei ist die Energiequelle im Sinne der vorliegenden
Erfindung vorzugsweise eine regenerative Energiequelle, d. h. insbesondere
eine Wasserkraftanlage, eine Windkraftanlage, eine Photovoltaikanlage,
ein Meereswärmekraftwerk,
eine Gezeitenkraftwerk oder ein geothermisches Kraftwerk, u. a.
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Das
Wesen der Erfindung ist es, innerhalb eines Verbundsystems, bestehend
aus einer oder mehreren regenerativen Energiequellen auf der Basis
erneuerbarer Energien auf der einen Seite und mindestens einer Anlage,
welche als Speichervorgang elektrische Energie in potenzielle Energie
und umgekehrt die potenzielle Energie bei Bedarf in Bewegungsenergie
und diese wieder zurück
in elektrische Energie zu überführen in
der Lage ist, im Sinne dieser Anmeldung auch als Energiespeicher
bezeichnet, und letztlich aus der Kette von Verbrauchern, wobei
in einer Ausführungsform
eine zentrale Steuerung die Zuführung
und Abführung
von Strom je nach Bedarf regelt bzw. steuert, vergleichbar mit einem
offenen bzw. geschlossenen Regelkreis.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung bildet der elektromechanische Energiespeicher ein System,
bei dem durch elektrische Energie über eine Winde ein Fahrgewicht
nach oben gezogen wird (z. B. bei Überschuss von elektrischer
Energie) und bei dem dieses Gewicht wiederum ebenfalls über die
genannte Winde zum Antrieb eines Elektro-Generators dient, wenn
elektrische Energie gebraucht wird. Der Übergang von dem einen in den
anderen Arbeitsvorgang (Betriebsparameter) soll weitgehend verlustfrei und
in kürzester
Schalt- bzw. Umschaltzeit erfolgen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist das erfindungsgemäße System
mindestens zwei elektromechanische Energiespeicher auf. Eine solche
Tandem-Anordnung von mindestens zwei elektromechanischen Energiespeichern
in dem erfindungsgemäßen Verbundsystem
weist den Vorteil auf, dass Energie gespeichert werden kann, d.
h. das eine Speichergewicht nach oben gezogen wird, während gleichzeitig
Energie abgegeben wird, d. h. das zweite Speichergewicht abgelassen
wird und dabei den elektrischen Generator antreibt.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung ist das Verbundsystem in vorhandene großenergetische Zusammenhänge, wie
sie heute in Gestalt von Stromnetzen üblich sind, integriert, falls
größere Entfernungen
zwischen den einzelnen Teilnehmern des Verbundsystems aus Energieerzeugung
sowie Energiespeicher und den Verbrauchern zu überwinden sind.
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Ein
wichtiges Erfordernis für
die erfindungsgemäße elektromechanische
Speicheranlage ist ein möglichst
großer
Höhenunterschied
(Hub) der Speichermassen zwischen oberem und unterem Potenzialpunkt.
In einer Ausführungsform
der Erfindung beträgt
der maximale Höhenunterschied
bzw. Hub mindestens 100 m, vorzugsweise jedoch mehr als 1200 m.
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Die
Speicherkapazität
des elektromechanischen Energiespeichers wird neben dem Hub auch und
vor allem durch die Masse der Speichermasse, welche nach oben und
unten bewegt werden soll, bestimmt. Diese sollte, um hohe Speicherkapazitäten zu erreichen,
in einem Bereich von 500 t bis 1.000 t, vorzugsweise jedoch mehr
als 1.000 t betragen.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung sind, um den erforderlichen Hub zu erreichen, die
Speichermassen in oder an einem Hochhaus angeordnet. Dabei eignen
sich insbesondere Schächte
innerhalb des Hochhauses, wie sie in konventionellen Bauten bereits
in Form von Aufzugschächten
vorgesehen sind, um die Speichermassen aufzunehmen. Die lokale Speicherung von
elektrischer Energie mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verbundsystems in Hochhäusern biete
sich deshalb an, da in einer Ausführungsform der Erfindung die
elektrische Energiequelle beispielsweise durch eine photovoltaische
Verglasung oder Fassadenverkleidung des Hochhauses bereitgestellt
werden kann, so dass das Hochhaus über eine selbständige Energieversorgung
verfügt. Die
während
des Tages erzeugte elektrische Energie kann, so weit sie nicht unmittelbar
dem Verbrauch zugeführt
wird, in potenzielle Energiespeichermassen umgesetzt werden, indem
diese in oder an dem Hochhaus nach oben gezogen werden. Bei Dunkelheit,
wenn die photovoltaischen Elemente keinen elektrischen Strom mehr
erzeugen, wird der elektrische Verbrauch des Hochhauses in dieser
Ausführungsform
dadurch gedeckt, dass die Speichermassen die mit ihnen verbundenen
Generatoren antreiben.
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In
einer alternativen Ausführungsform
sind die Speichermassen in einem im wesentlichen vertikalen Bergwerksschacht
angeordnet.
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In
einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verbundssystems
sind die elektromechanischen Energiespeicher in stillgelegten Zechenanlagen
angeordnet, die ursprünglich
der Gewinnung von Kohle, Mineralien u. a. gedient haben. Ehemalige Förderschächte solcher
Anlagen können
Teufen von über
3000 Metern aufweisen. Zudem können
die erfindungsgemäßen elektromechanischen
Energiespeicher stabil auf vorhandenem Grund und Boden, also in
Erdhöhe,
montiert werden, welcher mit entsprechenden Gründungen alle Anforderungen
an Stabilität
erfüllt, ähnlich wie
dies schon bei der ehemaligen Aufzugsanlage der Zeche der Fall war.
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Alleine
im Ruhrgebiet liegen mehr als 200 ehemalige Kohlezechen still, deren
Schächte
zur Realisierung der erfindungsgemäßen elektromechanischen Energiespeicher
verwendet werden können.
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Alternativ
können
auch neue Schächte
zusätzlich
zu den vorhandenen Schächten
der Zechen abgeteuft werden, welche ein Minimum an Flächenbedarf
an der Erdoberfläche
aufweisen. Die Niederbringung kann durch gängige Bohrsysteme erfolgen.
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In
einer alternativen Ausführungsform
sind die elektromechanischen Energiespeicher mit einem Schwimmkörper verbunden,
so dass die Speichermassen im Betrieb des Systems unter dem Schwimmkörper im
Wasser angeordnet sind.
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Auf
diese Weise lassen sich Anlagen realisieren, bei denen die Speichermassen
von einem Schwimmkörper
aus im wesentlichen senkrecht nach unten in das darunterliegende
Wasser abgelassen werden können.
Solche Anlagen werden vorzugsweise off-shore installiert, so dass
große
Meerestiefen unter dem Schwimmkörper
bereitstehen, um den erforderlichen großen Hub und die damit verbundene große Potenzialdifferenz
für die
Speichermassen vorzusehen.
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Ein
Schwimmkörper
im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Schiff, ein Ponton oder ähnliches.
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In
einer weiteren alternativen Ausführungsform
können
die elektromechanischen Energiespeicher mit einer fest im Meeresboden
verankerten Plattform verbunden sein.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden
Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsformen
und der dazugehörigen
Figuren deutlich.
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1 zeigt
schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen elektromechanischen Energiespeichers.
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2 zeigt
die Anordnung zweier erfindungsgemäßer elektromechanischer Energiespeicher
in einem Bergwerksschacht.
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3 zeigt
einen erfindungsgemäßen elektromechanischen
Energiespeicher, wobei die Speichermasse auf einer schiefen Ebene
angeordnet ist.
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4 zeigt
einen erfindungsgemäßen elektromechanischen
Energiespeicher in einem Hochhaus.
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5 zeigt
zwei erfindungsgemäße elektromechanische
Energiespeicher, die auf einem Schwimmponton angeordnet sind.
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6 zeigt
schematisch den Aufbau einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbundsystems.
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7 zeigt
eine detaillierte Ansicht der Zentrale aus 6.
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8 zeigt
eine detaillierte Ansicht der Steuereinheit aus 7.
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9 zeigt
schematisch den Aufbau einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbundsystems.
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10 zeigt
schematisch den Aufbau einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbundsystems.
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Der
in 1 schematisch dargestellte erfindungsgemäße elektromechanische
Energiespeicher umfasst neben einer Speichermasse, d. h. dem hängenden
Fahrgewicht 1, einen Elektromotor 2, welcher mit
elektrischem Strom aus dem Netz oder aus Elektrizität liefernden
Syste men, in der dargestellten Ausführungsform aus einer Windkraftanlage
angetrieben wird, um das hängende
Fahrgewicht 1 nach oben zu befördern, damit es potenzielle
Energie aufnimmt.
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Ferner
umfasst der elektromechanische Energiespeicher einen Elektrogenerator 3,
welcher beim Hinabfahren des Fahrgewichts dessen potenzielle Energie
aufnimmt und in elektrische Energie umwandelt, welche ihrerseits
wiederum ins Stromnetz oder unmittelbar an Verbraucher geliefert
wird. Der in 1 dargestellte Generator 3 ist
ein Drehstromgenerator, der über
eine Netzanpassung für
50 Hertz verfügt.
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Eine
Seilwinde 4, kann je nach Bedarf durch Wellenkupplungen 5 an
den Elektromotor 2 oder an den Elektrogenerator 3 mechanisch
oder elektromechanisch kraft- oder formschlüssig angekuppelt werden. Auf
die Seilwinde 4 wird das Zugseil 6, welches mit
dem hängenden
Fahrgewicht 1 verbunden, je nach Bedarf auf- oder abgewickelt.
Das Zugseil 6 besteht in der dargestellten Ausführungsform
zur Erhöhung
der Sicherheit und zur Gewährleistung
einer hohen Kraftaufnahme auch aus einem Paket von mehreren Stahlseilen.
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Das
Fahrgewicht 1 kann frei schwebend oder wie bei der Ausführungsform
aus 1 in einem Schienensystem ähnlich einem Aufzugsfahrkorb
geführt
werden. Letztere Anordnung hat den Vorteil, dass das Fahrgewicht 1 jederzeit
und in jeder Höhe unabhängig vom
Seilzug angehalten und aus Sicherheitsgründen festgesetzt bzw. arretiert
werden kann. Zusätzlich
wird eine maximale Erdbebensicherheit erreicht.
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Die
in 1 dargestellte Motor/Generator-Einheit mit Seilwinde 2, 3, 4 wird
in den nachfolgenden 2 bis 5 nur schematisch
durch die Bezugszeichen 2, 3 und 4 dargestellt.
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In
diesen 2 bis 5 ist jeweils auch eine Umlenkrolle
für den
Seilzug dargestellt. Die Konstruktion kann alternativ, soweit dies
die geometrischen Verhältnisse
erlauben, auch ohne eine Umlenkrolle ausgeführt werden. Diese bietet jedoch
den Vorteil, dass die Motor/Generator-Einheit mit Seilwinde auf
festem Grund und Boden errichtet werden kann und keine besondere
Tragkonstruktion oberhalb des Schachtes angeordnet werden muss.
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Das
erfindungsgemäße System
mit zwei (oder alternativ mehr) Fahrgewichten 1, so wie
es beispielhaft in 2 gezeigt ist, weist zwei elektromechanische
Speicheranlagen, d. h. parallel laufende Systeme A und B auf, wobei
das eine z. B. A zu einem Zeitpunkt elektrische Energie (Strom)
aufnimmt, während
das andere B aber elektrische Energie (Strom) abgibt.
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Dabei
spielt es keine Rolle, auf welcher Hubhöhe der Fahrgewichte 1A, 1B dies
gerade geschieht. Dies bedeutet, dass die Fahrgewichte 1A, 1B nicht
unbedingt immer bis zum oberen oder unteren Totpunkt gefahren werden
müssen.
Sie können ihren
Weg auch an jeder beliebigen Stelle in die Gegenrichtung umkehren,
je nach Bedarf der elektrischen Anforderungs-Situation.
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Es
lässt sich
leicht ermessen, welche gewaltige Speicherkapazität durch
die Einbeziehung von 100 oder 200 ehemaligen Zechen und ggf. noch
zusätzlich
niedergebrachten neuen Schächten
erreicht werden kann, die zu dem erfindungsgemäßen elektrischen Verbundsystem
verschaltet sind. Hervorzuheben ist nochmals die große Flexibilität eines
solchen Verbundsystems, welches sich sekundengenau an die jeweilige
Lieferungs- und Verbrauchssituation für elektrische Energie anzupassen
vermag.
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Nachfolgend
werden einige Zahlenbeispiele gegeben:
Ein Fahrgewicht (1)
mit einer Masse von beispielsweise 1000 Tonnen Gewicht ist aus Gusstahl
gefertigt. Es hat bei einem Querschnitt von 4 mal 4 Metern eine
senkrechte Länge
von etwa 8 Metern und passt mit diesen Abmessungen gut in einen
ehemaligen Zechenschacht. Ein alternatives Fahrgewicht 1 aus Beton
hat bei gleichem Querschnitt eine Länge von etwa 22 Metern.
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Ein
solches Fahrgewicht 1 führt
zu einer speicherbaren potenziellen elektrischen Energie von 8.000
kWh und mehr. Bei beispielsweise 200 zusammen geschalteten Schachtsystemen
sind dies bis zu etwa 1.600 MWh an verfügbarer elektrischer Speicherkapazität, welche
sekundenschnell abgerufen werden kann.
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Die
elektromechanischen Verluste eines solchen Systems der erfindungsgemäßen elektromechanischen
Speicheranlage betragen nicht mehr als etwa 5% bis 8%.
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Der
Einsatz eines solchen Verbundsystems könnte zur Speicherung der nahezu
gesamten in Norddeutschland erzeugten elektrischen Windenergie genutzt
werden, die dann vorzugsweise nicht direkt ins Netz mit den damit
verbundenen Nachteilen eingespeist wird, sondern in das beschriebene
Verbundspeichersystem mit allen verfügbaren Schachtanlagen, in denen
die erfindungsgemäßen elektromechanischen
Energiespeicher installiert sind, um eine kontinuierliche Stromlieferung
aus erneuerbarer Energie sicher zu stellen. Dies steht im Gegensatz zur
jetzigen Situation, bei der nur eine diskontinuierliche Einspeisung
ins Netz mit allen damit verbundenen Nachteilen möglich ist.
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Die
elektromechanische Speicheranlage gemäß der 1 bis 5 ist
mit einer elektronischen Steuerung ausgestattet, mit deren Hilfe
alle zu überwachenden
Daten erfasst werden können,
insbesondere die jeweilige Position der Fahrgewichte 1 sowie die
jeweiligen elektrischen Daten, die einem automatisch ablaufenden
Fahrbetrieb dienen. Dabei werden alle elektrischen und mechanischen
Ist- und Soll-Werte erfasst.
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Eine
Schachtanlage gemäß 2 ist
in einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform mit einer zusätzlichen
Einrichtung zur Gewinnung von Erdwärme ausgestattet.
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Bei
der in 3 dargestellten Ausführungsform wird das Fahrgewicht 1 in
Gestalt einer Lore auf Schienen 7 oder Walzen nicht senkrecht,
wie in den 1 und 2 gezeigt,
sondern auf einer schiefen Ebene geführt, wie sie sich aus einer
entsprechenden Geländeformation
(Berghang) ergibt.
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4 zeigt
eine weitere Anwendung des erfindungsgemäßen elektromechanischen Energiespeichers:
Dieser wird in diesem Fall in einem oder mehreren zusätzlich freigestellten
oder gebauten Aufzugsschächten
eines Hochhauses installiert. Dieser Einsatzbereich hat den Vorteil,
dass ein solches Hochhaus unabhängig
von einer externen Versorgung an elektrischer Energie aus dem Versorgungsnetz
geführt
werden kann, indem z. B. auf den Fenster- und sonstigen Flächen installierte
Photovoltaikmodule, in der dargestellten Ausführungsform durchsichtige Polymermodule, über Tage
und an Wochenenden elektrische Energie (Strom) liefern, welche mit den
elektromechanischen Speicheranlagen gekoppelt sind und so elektrische
Energie speichern, welche während
der Büro-
und Betriebszeiten abgerufen und genutzt werden kann. Ein solches
Hochhaus wäre
autark von der öffentliche
Elektroversorgung.
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Die
Führung
der Fahrgewichte 1 kann in einer alternativen, nicht dargestellten
Ausführungsform nicht
nur innerhalb des Hochhauses in den genannten Schächten, sondern
auch außerhalb,
z. B. entlang der Fassade, erfolgen.
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Die
Fahrgewichte 1 weisen bei der beschriebenen Anwendung im
oder am Hochhaus geringere Massen auf als oben für die großtechnischen Anlagen ausgeführt.
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Bei
der in 5 gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbundsystems
sind die elektromechanischen Energiespeicher auf einem Schwimmponton 8 installiert,
um die darunter befindliche Meerestiefe für die Fahrgewichte 1 zu
nutzen. Die Betriebsweise ist mit den oben genannten Beispielen
vergleichbar, wobei das Schiff bzw. der Ponton durch eine geeignete
Verankerung und/oder durch GPS automatisch mit bekannter Technologie auf
See in Position gehalten wird. Weitere Technologien, die aus der
marinen Erdölförderung
für Offshore-Bohrplattformen bekannt
sind (Jack-up, Halbtaucher, Bohrschiff) können zum Einsatz kommen.
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In
der dargestellten Ausführungsform
sind die elektromechanischen Energiespeicher mit einem Meereswärmekraftwerk
(OTEC-Technologie; Ocean Thermal Energy Conversion) verbunden, um
die aus dem Temperaturgradienten des Wassers gewonnene elektrische
Energie zu speichern. Zahlreiche solcher marinen Systeme können zu
einem Verbundsystem großtechnisch
zusammengefaßt
werden, wie dies für Systeme
an Land vorstehend aufgezeigt wurde.
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6 zeigt
beispielhaft eine Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verbundsystems
aus einer Windenergieanlage WEA, einer Photovoltaikanlage PVA, einem
elektromechanischen Energiespeicher EES sowie einer Mehrzahl von
Verbrauchern bzw. Abnehmern ABN. Die Stromerzeuger WEA, PVA und
die Abnehmer ABN sind über
eine Zentrale ZEN miteinander verbunden.
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Dabei
arbeitet die Zentrale ZEN als Verteiler der elektrischen Energie.
In der Zentrale wird der aktuelle Bedarf an elektrischer Energie
der Verbraucher ABN ebenso erfasst, wie die zum jeweiligen Zeitpunkt
von den regenerativen Energiequellen PVA, DEA erzeugte elektrische
Energie. Ist die von den Erzeugern PVA, WEA bereitgestellte Energiemenge größer als
der momentane Bedarf der Abnehmer ABN, so wird Energie in dem elektromechanischen Energiespeicher
EES in der in Bezug auf die 1 bis 5 beschriebenen
Weise zwischengespeichert. In Fällen,
in denen die Nachfrage nach elektrischer Energie durch die Verbraucher
ABN größer ist als
die derzeit von den regenerativen Energiequellen PVA, WEA bereitgestellte
Energiemenge, so sorgt die Zentrale dafür, dass weitere Energie aus
dem elektromechanischen Energiespeicher EES abgerufen wird, indem
die potenzielle Energie einer oder mehrerer Speichermassen in elektrische
Energie umgewandelt wird, welche den Verbrauchern ABN zur Verfügung gestellt
wird.
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Das
in 6 schematisch dargestellte Verbundsystem zeigt
eine Kleinanlage, die in dem dargestellten Beispiel für eine einzelne
kleine Gemeinde vorgesehen ist, der es auf diese Weise ermöglicht wird,
sich weitgehend autark mit elektrischem Strom aus erneuerbaren Energiequellen
zu versorgen.
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7 zeigt
eine vergrößerte Ansicht
der Zentrale ZEN aus 6. Diese arbeitet als Verteilereinheit
und weist Zugänge
an elektrischer Energie (Strom) aus den Energiequellen WEA und PVA,
ein Element zu deren Zusammenfassung sowie eine Steuereinheit 1 auf.
Die Steuereinheit 1 verfügt über Zu- und Abgänge für den elektromechanischen
Energiespeicher EES, sowie Abgänge
zu den Abnehmern/Verbrauchern ABN.
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In 8 wiederum
ist die Steuereinheit 1 aus 7 vergrößert dargestellt
und deren Funktion vereinfacht angedeutet. In 9 ist
eine alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verbundsystems dargestellt,
wobei gegenüber
dem in 6 dargestellten System das in 9 gezeigte
System für eine
großtechnische
Anwendung zur Versorgung ganzer Landstriche oder Länder vorgesehen
ist. Dazu weist das System eine Vielzahl von regenerativen Energiequellen,
hier Photovoltaikanlagen PVA und Windenergieanlagen WEA sowie eine
Vielzahl von Abnehmern bzw. Verbrauchern ABN und eine Mehrzahl von
elektromechanischen Energiespeichern auf. Das in 9 gezeigte
Verbundsystem ist in ein vorhandenes Stromversorgungsnetz integrierbar,
so dass beispielsweise vorhandene Leitungen zwischen den Verbrauchern
ABN und einer Zentrale ZEN verwendet werden können. So können parallele Strukturen und
damit verbundene erhöhte
Kosten vermieden werden.
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Die
in den 6 und 9 gezeigten Verbundsysteme weisen
eine Parallelschaltung der einzelnen regenerativen Energiequellen
WEA, PVA, der elektromechanischen Energiespeicher EES sowie der
Abnehmer ABN auf, d. h. das ganze Verbundsystem hat eine sternförmige Struktur,
in welcher jedes Element PVA, WEA, ABN, EES über eine gesonderte Leitung
mit der Zentrale ZEN verbunden ist. Demgegenüber zeigt die alternative Anordnung
des Verbundsystems aus 10 eine Reihenschaltung, bei welcher
zunächst
die einzelnen Energiequellen PVA, WEA, die einzelnen Abnehmer ABN
sowie die einzelnen elektromechanischen Energiespeichersysteme EES
untereinander verbunden sind. Dabei ist eine Mehrzahl von Quellen
PVA, WEA, Abnehmern ABN und Energiespeichern EES jeweils nur über eine
einzige zentrale Leitung mit der Zentrale ZEN verbunden.
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Die
in 6, 9 und 10 dargestellten erfindungsgemäßen Verbundsysteme
sind Wechselstromsysteme, wobei durchaus alternative Ausführungsformen
möglich
sind, die mit Gleichstrom oder Drehstrom arbeiten. Dabei sind insbesondere
Gleichstromsysteme zu erwähnen,
da die meisten regenerativen Energiequellen Gleichstrom bereitstellen.
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Dabei
kann in einer Ausführungsform
das elektromechanische Energiespeichersystem als elektromechanischer
Wechselrichter wirken. Während
beispielsweise Photovoltaikanlagen als regenerative Energiequellen
Gleichstrom erzeugen, der dazu verwendet wird, die Speichermassen
des elektromechanischen Energiespeichersystems mit Hilfe von Gleichstrommotoren
anzuheben, können
bei der Entnahme von elektrischer Energie aus dem elektromechanischen
Energiespeichersystem die Speichermassen einen Wechselstromgenerator
betreiben.
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Für Zwecke
der ursprünglichen
Offenbarung wird darauf hingewiesen, dass sämtliche Merkmale, wie sie sich
aus der vorliegenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen für einen
Fachmann erschließen,
auch wenn sie konkret nur im Zusammenhang mit bestimmten weiteren
Merkmalen beschrieben wurden, sowohl einzeln als auch in beliebigen
Zusammenstellungen mit anderen der hier offenbarten Merkmale oder
Merkmalsgruppen kombinierbar sind, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen
wurde oder technische Gegebenheiten derartige Kombinationen unmöglich oder
sinnlos machen. Auf die umfassende, explizite Darstellung sämtlicher
denkbarer Merkmalskombinationen wird hier nur der Kürze und
der Lesbarkeit der Beschreibung wegen verzichtet.
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Während die
Erfindung im Detail in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung dargestellt
und beschrieben wurde, erfolgt diese Darstellung und Beschreibung
lediglich beispielhaft und ist nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht,
so wie er durch die Ansprüche
definiert wird. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen
beschränkt.
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Abwandlungen
der offenbarten Ausführungsformen
sind für
den Fachmann aus den Zeichnungen, der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen offensichtlich.
In den Ansprüchen
schließt das
Wort ”aufweisen” nicht
andere Elemente oder Schritte aus, und der unbestimmte Artikel ”eine” oder ”ein” schließt eine
Mehrzahl nicht aus. Die bloße
Tatsache, dass bestimmte Merkmale in unterschiedlichen Ansprüchen beansprucht
sind, schließt
ihre Kombination nicht aus. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind
nicht als Beschränkung
des Schutzbereichs gedacht.