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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Energiespeicherung
und -bereitstellung.
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Es
sind zahlreiche Energiespeichersysteme zur elektrischen Stromgewinnung
bekannt. Dazu zählen beispielsweise Zentrifugalkraftspeicher,
Energiespeicher auf der Grundlage von Brennelementen, elektrische
Batterien sowie pneumatische Energiespeicher mit geschlossenen und
offenen Systemen.
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Die
Hochdruck-Luftdruckspeicherung wurde in ihren Grundzügen
bereits im 19. Jahrhundert entwickelt. Sie besitzt eine aktuelle
Relevanz im Zusammenhang mit dem Bedürfnis, erneuerbare
Energien in dezentraler Anordnung zu nutzen und dabei die hierzu
bestehenden Netze mit lokalen Speichern zu unterstützen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
und ein Verfahren zur Energiespeicherung und -bereitstellung unter
Verwendung eines Druckluftspeichers zu schaffen, die sich durch
einen guten Wirkungsgrad auszeichnen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen
des Anspruchs 16 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind
in den Unteransprüchen angegeben.
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Danach
beruht die vorliegende Erfindung auf dem Gedanken, zur Energiespeicherung
in einem Druckluftspeicher Luft isotherm zu komprimieren. Zur Erzeugung
elektrischer Energie aus der gespeicherten Druckluft wird die Luft
von dem Druck im Druckluftspeicher in einen Arbeitsdruck überführt.
Dies kann in einem oder mehreren Schritten erfolgen. Es ist ein
Wärmetauscher vorgesehen, der die auf den Arbeitsdruck
entspannte Druckluft auf eine Temperatur erwärmt, die oberhalb
der Umgebungstemperatur liegt. Die auf diese Weise erwärmte
Druckluft wird anschließend in mechanische Energie umgewandelt, beispielsweise
in einem Druckluftmotor, und mit der mechanischen Energie wird ein
Generator zur Erzeugung elektrischer Energie angetrieben.
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Die
vorliegende Erfindung zeichnet sich durch einen hohen Wirkungsgrad
aus. Zum einen stellt die isotherme Prozessführung bei
der Komprimierung der Luft und Bereitstellung als Druckluft im Druckluftspeicher
einen guten Wirkungsgrad bereit. So ist es für den Wirkungsgrad
vorteilhaft, wenn die Temperatur der Luft beim Pendeln zwischen
atmosphärischem Druck und Speicherdruck keinen großen Schwankungen
unterliegt. Eine Temperaturschwankung von 30°C führt
beispielsweise zu einem Wirkungsgradverlust von ca. 5%. Zum anderen
wird ein guter Wirkungsgrad dadurch erreicht, dass die auf den Arbeitsdruck
entspannte Druckluft auf eine Temperatur erwärmt wird,
die oberhalb der Umgebungstemperatur liegt. Hierdurch wird die potentielle
Energie der Druckluft erhöht und der Wirkungsgrad des energetischen
Systems vor der adiabatischen Entspannung bei der Umwandlung in
mechanische Energie vergrößert. Die auf diese
Weise erwärmte Druckluft wird dann in mechanische Energie
und weiter über den Generator in elektrische Energie umgewandelt.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kompressor
derart ausgebildet ist, dass er durch eine langsame Komprimierung
der Luft isotherm arbeitet. Dies bedeutet, dass die Komprimierung
der Luft ausreichend langsam erfolgt, damit die bei der Komprimierung
der Luft entstehende Kompressionswärme an die Umwelt abgegeben
werden kann.
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In
diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass eine isotherme
Komprimierung von Luft im Sinne der vorliegenden Erfindung auch
Vorgänge mit umfasst, bei denen die Luft quasi-isotherm komprimiert
wird. Ein absolut isothermer Vorgang bedeutet eine hunderprozentige
Abgabe der Kompressisonswärme an die Umwelt. Ein absolut
isothermer Vorgang ist jedoch theoretisch unendlich langsam. Ein
isothermer Vorgang im Sinne der vorliegenden Erfindung ist daher
auch ein Vorgang, der quasi-isotherm abläuft, d. h. bei
dem die komprimierte Luft eine gewisse Temperaturerwärmung
erfährt. Insbesondere soll eine Temperaturerwärmung
von bis zu 60°C im Sinne der vorliegenden Erfindung noch
als isotherm angesehen werden. Bevorzugt beträgt die Erwärmung
der Luft bei der isothermen Komprimierung nicht mehr als 40°C,
besonders bevorzugt nicht mehr als 20°C.
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Der
isotherme Kompressor der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist in einer Ausgestaltung mit zwei oder mehreren Zylindern versehen,
die durch abwechselndes Einpumpen einer Flüssigkeit bewegt werden
und dabei Luft komprimieren. Die komprimierte Luft wird über
Ventile dem Druckluftspeicher zugeführt. Zur Realisierung
einer isothermen Komprimierung wird die Luft in Abhängigkeit
von dem im Zylinder herrschendem Druck mit einer Hubgeschwindigkeit
von 1 bis 300 mm/s in den Zylindern komprimiert. Die unterschiedlichen
Hubgeschwindigkeiten der Zylinder werden über die automatische
Regelung der Drehzahl der Pumpe erreicht.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
die Luft in einem Wärmetauscher bei einem Arbeitsdruck
von 6 bis 10 bar auf eine Temperatur größer als
50°C, bevorzugt größer als 100°C
erwärmt wird. Damit ist eine erhebliche Energiezufuhr und
Steigerung der potentiellen Energie der Druckluft verbunden, die
zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades der erfindungsgemäßen
Vorrichtung führt.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
der Wärmetauscher, der die auf den Arbeitsdruck entspannte
Druckluft auf eine Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur erwärmt,
mit einem oder mehreren Sonnenkollektoren gekoppelt ist. Dabei wird
dem Wärmetauscher ein Heizmedium der Sonnenkollektoren
zugeführt, die dieser zur Erwärmung der Druckluft
einsetzt. Es handelt sich hierbei um eine besonders kostengünstige
und effiziente Erfindungsvariante, da die Energie zur Erwärmung
der Druckluft aus erneuerbaren Energien bereitgestellt wird. Die
mit dem Wärmetauscher gekoppelte solarthermische Anlage
kann dabei natürlich auch für andere Zwecke, beispielsweise
zur Warmwasseraufbereitung genutzt werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
der Wärmetauscher mit dem isothermen Kompressor gekoppelt
und derart ausgestaltet ist, dass er zum einen die bei der isothermen
Komprimierung der Luft freiwerdende Kompressionswärme aufnimmt
und zum anderen die Kompressionswärme zur Erwärmung
der Luft auf eine Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur einsetzt.
Bei dieser Ausgestaltung wird somit die Kompressionswärme,
die bei der Komprimierung der Luft entsteht, zur erfindungsgemäßen
Erhitzung der auf den Arbeitsdruck entspannten Druckluft auf eine Temperatur
oberhalb der Umgebungstemperatur genutzt.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
mindestens ein weiterer Wärmetauscher zur Erwärmung
der aufgrund der Entspannung abgekühlten Luft auf die Umgebungstemperatur
vorgesehen ist. Die bei der isothermen Kompression an die Umgebung
abgegebene Kompressionswärme wird dabei der auf den Arbeitsdruck entspannten
Luft wieder zugeführt. Dies erfolgt beispielsweise über
einen Luft/Luft Wärmetauscher. Die auf die Umgebungstemperatur
bzw. die Außenlufttemperatur erwärmte Luft wird
dann dem weiteren Wärmetauscher zur Erwärmung
bzw. Erhitzung auf eine Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur
zugeführt. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich,
dass lediglich ein einziger Wärmetauscher vorgesehen ist,
der die entspannte Luft bis zur Umgebungstemperatur und darüber
hinaus erwärmt.
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Es
kann vorgesehen sein, dass die Entspannung der im Druckluftspeicher
gespeicherten Druckluft auf den Arbeitsdruck in mehreren Schritten
erfolgt, beispielsweise in zwei Schritten, wobei jeweils die Druckluft
entspannt und mittels eines Wärmetauschers auf im Wesentlichen
die Umgebungstemperatur erwärmt wird. Solche Wärmetauscher
sind wie bereits erwähnt, beispielsweise Luft/Luftwärmetauscher.
Dabei können nach jeder Entspannungsphase auch Zwischenspeicher
für die Druckluft vorgesehen sein.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind sämtliche
Elemente der Vorrichtung in und/oder auf einem 20-Fuß-Container
oder einem 40-Fuß-Container gemäß ISO
668 angeordnet. Es handelt sich hierbei um übliche
Transportcontainer. Die Anordnung und Integration der Vorrichtung
in einem Container ermöglicht zum einen eine mobile Einsatzmöglichkeit
der Erfindung. Weiter kann eine Energiespeicherung und Energiebereitstellung
dezentral erfolgen. In dem Container können dabei zusätzliche
energetische Bausteine wie beispielsweise eine mit der erfindungsgemäßen
Vorrichtung gekoppelte solarthermische Anlage, ggf. mit einem Wärmespeicher,
und eine Windkraftanlage angeordnet sein.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die einzige Figur
der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispiels näher
erläutert.
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Die
einzige Figur zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Energiespeicherung
und -bereitstellung mit einem Druckluftspeicher.
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Zur
Energiespeicherung sind ein isothermer Kompressor 1 und
ein Druckluftspeicher 4 vorgesehen. Der isotherme Kompressor 1 weist
zwei Komprimierungszylinder 101 auf, in die über
eine hydraulische Pumpe 8 alternierend Flüssigkeit
eingepumpt wird. Die Komprimierungszylinder 101 komprimieren Luft,
die als Druckluft über Rückschlagventile 2 dem Druckluftspeicher 4,
der in Form einer Mehrzahl von Druckluftflaschen 41 ausgeführt
ist, zugeführt wird.
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Die
Pumpe 8 wird über eine Stromeinspeisung 6 und/oder
mit Hilfe einer Pufferbatterie 7 mit Strom versorgt. Die
Pufferbatterie 7 wird ebenfalls über die Stromversorgung 6 versorgt.
Die Stromeinspeisung erfolgt beispielsweise über eine Windkraftanlage
und/oder eine Photovoltaikanlage.
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Die
Komprimierungszylinder 101 weisen einen Durchmesser beispielsweise
von 100 mm auf. Die Wanddicke beträgt beispielsweise 5
mm. Die Flüssigkeit in den Zylindern 101 wird
beispielsweise mit einer Geschwindigkeit von 1 bis 300 mm/s bewegt,
wobei der Luftdruck auf bis 300 bar zunimmt. Die Druckluftflaschen 41 des
Druckluftspeichers 4 sind dementsprechend dazu ausgelegt,
einen Druck bis zu 300 bar aufzunehmen. Natürlich kann
bei entsprechender Auslegung des Kompressors 1 und des Druckluftspeichers 4 auch
ein höherer Druck im Druckluftspeicher 4 realisiert
werden.
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Durch
die langsame Kompressionsgeschwindigkeit von beispielsweise 1 bis
300 mm/s wird eine isotherme Kompression der Luft erreicht. Die Kompressionswärme,
die bei der Komprimierung der Luft entsteht, wird dabei im Wesentlichen
an die Umwelt abgegeben. Alternativ (nicht dargestellt) kann auch
vorgesehen sein, die Kompressionswärme einem Wärmespeicher
zuzuführen, der die Kompressionswärme speichert
und beispielsweise dem auf einen Arbeitsdruck entspannten Druckgas
wieder zuführt.
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Zur
Erzeugung elektrischer Energie aus der im Druckluftspeicher 4 gespeicherten
Druckluft sind weitere Elemente der Vorrichtung der 1 wie
folgt vorgesehen.
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Zum
Versetzen des komprimierten Gases aus dem Hochdruckzustand im Druckluftspeicher 4 in einen
Arbeitsdruckzustand sind zwei Reduktionsventile 9, 12 vorgesehen.
Hinter dem Reduktionsventil 9, das über eine Druckluftleitung
mit dem Druckluftspeicher 4 verbunden ist, erfolgt eine
Entspannung des Gases auf einen Druck beispielsweise zwischen 40 und
80 bar, insbesondere auf einen Druck von 60 bar. Hinter dem Reduktionsventil
ist ein erster Luft/Luft Wärmetauscher 10 vorgesehen.
Dieser dient dazu, die Druckluft, die sich bei der Druckentspannung
abgekühlt hat, auf die Außenlufttemperatur bzw.
Umgebungstemperatur zu erwärmen. Dies erfolgt durch Abführung
von Kälte nach außen.
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Optional
ist des Weiteren ein Zwischenspeicher 11 vorgesehen, der
die Druckluft bei dem gewünschten Druck (z. B. 60 bar)
zwischenspeichert und nivelliert. Auf dem Zwischenspeicher 11 kann
jedoch auch verzichtet werden. Der Zwischenspeicher 11 kann
beispielsweise durch den Mast einer Windkraftanlage gebildet werden,
was mit vorteilhaften synergistischen Effekten verbunden ist.
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Hinter
dem weiteren Reduktionsventil 12 erfolgt eine weitere Reduktion
des Druckes auf einen Arbeitsdruck von beispielsweise 5 bis 20 bar,
insbesondere 6 bis 10 bar. Wiederum ist ein Luft/Luft Wärmetauscher 13 vorgesehen,
der die durch die erneute Entspannung abgekühlte Luft auf
die Außenlufttemperatur erwärmt.
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Die
bei dem gewünschten Arbeitsdruck vorliegende Temperatur
wird einem Behälter 14 zugeführt, in
dem der Arbeitsdruck von 6 bis 10 bar vorliegt und in dem ein Wärmetauscher 15 angeordnet ist.
Der Wärmetauscher 15 ist mit einer Wärmequelle gekoppelt
(nicht dargestellt), bei der es sich beispielsweise um einen Wärmespeicher
handelt, der von einer solarthermischen Anlage gespeist wird. Dem
Wärmetauscher 15 wird dabei über eine
Zuführung 16 erwärmtes Heizöl
oder ein anderes erwärmtes Heizmedium zugeführt. Über
eine Abführung 17 verlässt das abgekühlte
Heizmedium den Wärmetauscher 15. Der Heizmediumeintritt
erfolgt beispielsweise bei einer Temperatur von ca. 300°C
und der Heizmediumaustritt bei einer Temperatur von 50°C. Während
des Durchtritts durch den Wärmetauscher 15 wird
die Druckluft erwärmt.
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Die
Erwärmung erfolgt dabei auf eine Temperatur, die oberhalb
der Umgebungstemperatur liegt. So ist die Druckluft nach Verlassen
des Wärmetauschers 13 bereits auf die Temperatur
der Umgebung erwärmt.
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Die
auf diese Weise weitergehend erwärmte Luft wird einem Druckluftmotor 18 zugeführt.
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Der
Druckluftmotor 18 kann ein beliebiger Gasexpansionsmotor
sein, der mit dem komprimierten Gas, das aus dem Behälter 14 zugeführt
wird, betrieben wird. Mit dem Druckluftmotor 18 wird ein
Generator 19 betrieben, der eine Stromeinspeisung 20 für
einen Verbraucher bereitstellt.
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Die
beschriebene Anlage besitzt beispielsweise eine Speicherkapazität
10 kWh elektrischer Leistung, wobei die Speicherkapazität
bevorzugt modular erweiterbar ist. Der Generator 19 stellt
beispielsweise eine Leistung von bis zu 10 kW zur Verfügung.
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Die
Funktionsweise der beschriebenen Vorrichtung ist wie folgt. Zur
Energiespeicherung wird Luft isotherm komprimiert und in dem Druckluftspeicher 4 gespeichert.
Zu einer Energiebereitstellung wird die gespeicherte Druckluft entspannt
und in einen Arbeitsdruck überführt, was mittels
der Reduktionsventile 9 und 12 erfolgt. Nach jeder
Entspannung wird die Luft durch einen Wärmetauscher 10, 13 auf die
Umgebungslufttemperatur erwärmt, indem Kälte nach
außen abgeführt wird. Die entspannte und auf die
Außenlufttemperatur erwärmte Druckluft wird durch
den Wärmetauscher 15 erhitzt. Die Erhitzung erfolgt
auf eine Temperatur größer als 50°, bevorzugt größer
als 100°C. Hierdurch wird die potentielle Energie des komprimierten
Gases erhöht. Die Energie des komprimierten Gases wird
dann durch den Druckluftmotor 18 in mechanische Energie
und weiter über den Generator 19 in elektrische
Energie umgewandelt.
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Durch
die Erwärmung der entspannten Luft auf die Umgebungstemperatur
in den Luft/Luft Wärmetauschern 10, 13 ist
die gesamte Prozessführung, abgesehen von der Erwärmung
der Luft im Wärmetauscher 15, isotherm bzw. quasi-isotherm.
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In
alternativen Ausgestaltungen der Erfindung findet eine Entspannung
des Druckgases in nur einer Stufe statt, wobei lediglich ein Reduktionsventil und
ein Luft/Luft Wärmetauscher erforderlich sind. Auch kann
vorgesehen sein, dass auf Luft/Luft Wärmetauscher vollständig
verzichtet und die bei der Druckentspannung abgekühlte
Druckluft allein durch den Wärmetauscher 15 auf
eine Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur erwärmt
wird.
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In
weiteren Ausgestaltungen der Erfindung erfolgt die isotherme Komprimierung
des Gases in anderer Weise als beschrieben. Beispielsweise können
ein 3- oder 4-Kolbensystem oder auch eine andere Kompressortechnik
eingesetzt werden.
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Die
gesamte Vorrichtung, einschließlich einer mit dem Wärmetauscher 15 gekoppelten
solarthermischen Anlage mit Wärmespeicher sowie eine Windkraftanlage
und/oder Photovoltaikanlage, die eine Stromeinspeisung am Einspeisepunkt 6 bereitstellt,
sind in einer Ausgestaltung der Erfindung auf einem Standard-Container
(20-Fuß-Container oder 40-Fuß-Container gemäß ISO
668) angeordnet und/oder in einen solchen integriert. Hierdurch
wird eine mobile und dezentral einsetzbare Energiespeicherung zur
Verfügung gestellt.
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Die
Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausgestaltung nicht
auf die vorstehend dargestellten Ausführungsbeispiele,
die lediglich beispielhafte Ausführungsvarianten der vorliegenden
Erfindung angeben. Beispielsweise könnte die Druckluftspeicherung
in anderer Weise als mittels einzelner Speicherbehälter 41 erfolgen.
Denkbar ist beispielsweise eine Speicherung in Pipeline-Rohren oder
auch Kavernen im Erdreich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - ISO 668 [0016]
- - ISO 668 [0036]