DE102009036640A1

DE102009036640A1 - Mechanisches Hubspeicherkraftwerk mit Kettenhub

Info

Publication number: DE102009036640A1
Application number: DE102009036640A
Authority: DE
Inventors: Werner Rau
Original assignee: Rau Werner Dipl-Phys
Current assignee: Rau Werner Dipl-Phys
Priority date: 2009-08-07
Filing date: 2009-08-07
Publication date: 2011-02-17

Abstract

Mechanische Hubvorrichtungen mit Kettenhub 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 mehrere 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 Erzeugung erneuerbarer Energien wie Windenergie und oder Solarstrom 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 Krafwerken 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. Zum Anheben eines Körpers ist eine Arbeit zu verrichten, die eine potentielle Energie E_pot = m·g·h erzeugt. (m = Masse in Kg, g = Erdbeschleunigung 9,81 m/sec² und h = Hubhöhe in m) Wird ein Masseträger von 1 kg um 1 m angehoben, so beträgt die potentielle Energie an der Erdoberfläche 9,81 Nm. In den nachfolgenden Beispielrechnungen wird die potentielle Energie bei einem Hub von 1 kg um 1 m vereinfachend mit 10 Nm bzw. 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) bei einer Talfahrt Bremsenergie mit der Hilfe von Vorrichtungen der Rekuperation in elektrische Energie zurückverwandeln.
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 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.
Hubspeicher Kraftwerk mit Kettenhub
Zeichnung 1 verdeutlicht die Funktionsweise eines Ketten Hubspeicher Kraftwerks.
Eine Fördervorrichtung mit Kettenhub 1 ist über ein Getriebe 3 mit einem Elektromotor/Generator 4 verbunden. Der Elektromotor/Generator 4 ist an das Stromnetz 5 angeschlossen.
Die Speicherebenen 6 und 7 sind waagrecht ausgerichtet. Sie sind mit Schienen 8 belegt, auf denen die Masseträger 9 mit geringem Energieeinsatz horizontal gerollt werden können. Der Masseträger 9 hat die Form eines Zylinders, in den Nuten eingearbeitet sind, die den Zylinder auf den Gleisen führen. Die Masseträger 9 werden mit leichten Seil- oder Kettenzügen (nicht in Zeichnung skizziert) horizontal bewegt.
Eine gleichmäßige Auslastung der Fördervorrichtung wird erreicht, indem die Zufuhr und Entnahme je eines Gewichtes gleichzeitig ausgeführt wird.
Zum Erzeugen der potentiellen Energie entnimmt der Elektromotor/Generator 4 den Strom aus dem Netz 5 und treibt die Kettenzüge 2 der Fördervorrichtung 1 an. Die Masseträger werden auf der unteren Speicherebene an die Fördervorrichtung herangerollt und über eine Übergabevorrichtung 10 in die Fördervorrichtung eingehängt. Die Fördervorrichtung hebt den Masseträger auf die obere Speicherebene 7, die ebenfalls mit einer Übergabevorrichtung ausgestattet ist. Die Übergabevorrichtung rollt den Masseträger aus der Fördervorrichtung heraus auf die obere Speicherebene 7.
Für die Rückverwandlung der potentiellen Energie erfolgt bei hoher Stromnachfrage. Dazu kehrt die Fördervorrichtung die Laufrichtung der Kettenzüge 2 um und senkt die Masseträger auf die untere Speicherebene 6 ab. Das Gewicht der Masseträger treibt die Kettenzüge 2, die Laufwelle 15, das Getriebe 3 und den Generator 4 an. Dieser speist den erzeugten Strom in das Netz 5 zurück.
Zeichnung 2 zeigt eine Anordnung mit gegenüber liegenden Kettenzügen. Zum Zweck der besseren Darstellung sind im Hintergrund nur zwei der vier Träger 13 gezeichnet. An den Trägern 13 sind je zwei Laufwellen 15 angebracht, auf die wiederum je zwei Kettenzüge 2 montiert sind. Die Kettenzüge sind über Querstäbe 14 verbunden, auf denen die Masseträger 9 eingehängt werden. Das Gewicht der Masseträger wird auf vier Ketten gleichmäßig verteilt. Die Übergabevorrichtungen und Speicherebenen können wie in Zeichnung 1 angeordnet werden.
Zeichnung 3 zeigt die vorteilhafte Anordnung eines Ketten Hubspeicher Kraftwerks in einem Gelände mit einer Steilwand (z. B. Abhang, Steinbruch, Bergwerk). Die obere Speicherebene besteht aus zwei Teilebenen, die ähnlich wie in einem Hochregallager angeordnet sind.
Folgende Vorteile eines Hubspeicher Kraftwerks mit Kettenhub können erreicht werden:
Hubvorrichtungen, wie z. B. Seilwinden, Hydraulikanlagen oder Fahrzeuge erfordern nach jedem Hub eine Verholzeit, um das nächstfolgende Gewicht anzufahren. Hubspeicher Kraftwerke mit Kettenhub können bei gleichmäßiger Last unterbrechungsfrei betrieben werden.
Die zylindrischen Gewichte können aus Rohrabschnitten, die z. B. mit Beton gefüllt werden, kostengünstig hergestellt werden. Der Zylindermantel dient als Abrollfläche, die bei geringen Reibungsverlusten die horizontale Verteilung der Masseträger mit hohem energetischen Wirkungsgrad ermöglicht.
Hubspeicher Kraftwerke sind vom Vorkommen von Wasser unabhängig. Sie können z. B. auch in Wüstengebieten errichtet werden, um Solarstrom zu speichern. Hubspeicher Kraftwerke können auf jedem Gelände – auch im Flachland – erbaut und betrieben werden. Hubspeicher Kraftwerke mit Kettenhub können ganz oder teilweise unter der Erdoberfläche errichtet oder in Gebäuden integriert werden. Besonders vorteilhaft ist die Nutzung von Steilhängen. (z. B.: Steinbruchwände, stillgelegte Bergwerksschächte, hohe Industriebauten) Hubspeicher Kraftwerke mit Kettenhub beanspruchen geringe Flächen und können auch in Industriegebieten errichtet werden. Der Verbrauch von landschaftlich wertvollen Flächen wird vermieden.
Hubspeicher Kraftwerke arbeiten umweltfreundlich und wartungsarm. Zum Bau werden nur Materialien benötigt, die schadstofffrei recycelt werden können.
Eine Beispielrechnung veranschaulicht die erzielbaren Speicherkapazitäten: Der Masseträger besteht aus einem Zylinder der von einem Eisenmantel eingehüllt ist und der mit Schwerbeton gefüllt wird. Die Dichte beträgt ca. 4 t pro m³. Der Zylinder hat einen Durchmesser von 4 m und ist 7 m lang. Das ergibt ein Volumen von 88 m³. Das Gesamtgewicht eines Masseträgers beträgt dann 88 m³ × 4t/m³ ~ 360 t.
Bei einer Hubhöhe von 100 m beträgt die potentielle Energie eines Gewichts: 360.000 kg × 100 m × 10 Ws/kg·m = 360.000.000 Ws = 100 kWh
Das Hubspeicherkraftwerk wird mit einer Leistung von 2 MW Leistung betrieben. Bei Pumpspeicher Kraftwerken beträgt die durchschnittliche Zeit zum laden bzw. entladen des Speichers 6 Stunden. Das ergibt einen Speicherinhalt von 12 MWh elektrische Energie. Ohne Berücksichtigung des Wirkungsgrades genügen 120 Gewichte, um das Speichervermögen zu erzielen. Diese können auf einer Schienenlänge von 2 × 480 m untergebracht werden. 1 ha. Grundfläche genügt, um das Hubspeicher Kraftwerk zu errichten.
Staiß gibt für den Bau von Wasserkraftwerken mittlerer Leistung Investitionskosten i. H. v. 5,4 Mio EUR je MW Leistung an. Bei Investitionskosten i. H. v. ca. 10,8 Mio EUR erreicht das Hubspeicherkraftwerk des Beispiels die Wirtschaftlichkeit von Pumpspeicher Kraftwerken.
Bezugszeichenliste

1: Fördervorrichtung
2: Kettenzug
3: Getriebe
4: Elektromotor/Generator
5: Stromnetz
6: untere Speicherebene
7: obere Speicherebene
8: Schienen
9: Masseträger (zylinderförmiges Gewicht)
10: Übergabevorrichtung
11: Gelände mit Steilhang
12: Hubhöhe
13: Träger
14: Querstab mit Auflage
15: Laufwelle

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 einem oder mehreren Kettenzügen angehoben und anschließend horizontal bewegt wird. Der Strom zum Antrieb des Elektromotors wird dem Netz entnommen. Für die Rückgewinnung der elektrischen Energie wird der Masseträger dem Kettenzug zugeführt und das Gewicht des Masseträgers treibt den Kettenzug in entgegen gesetzter Richtung an. Die Drehbewegung der Antriebswelle wird mit der Hilfe eines Stromgenerators in Strom verwandelt, der in das Netz zurückgespeist wird.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Masseträger die Gestalt eines Zylinders oder einer Kugel hat oder auf Radsätze montiert ist, die auf Schienen oder einer anderen Unterlage mit geringem Energieeinsatz horizontal bewegt werden.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass eine Übergabevorrichtung, die mechanisch oder hydraulisch betätigt wird, die Masseträger in den Kettenzug einhängt oder von dem Kettenzug auf die Unterlage der Speichervorrichtung rollt.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Masseträger auf mehreren Ebenen Platz sparend abgelegt werden.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung die Hubfrequenz der Hubvorrichtung und die Leistung des Elektromotors/Generators anstößt und auf das gewünschte Niveau einregelt.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass ein EDV-System die Leistungsaufnahme sowie Leistungsabgabe des Gesamtsystems nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten anstößt und optimiert.