DE102010010701A1

DE102010010701A1 - Energiespeichersystem

Info

Publication number: DE102010010701A1
Application number: DE102010010701A
Authority: DE
Inventors: Jochen Browa; Hans Browa
Original assignee: EISENWERK WITTIGSTHAL GmbH
Current assignee: EISENWERK WITTIGSTHAL GmbH
Priority date: 2010-03-08
Filing date: 2010-03-08
Publication date: 2011-09-08

Abstract

Das Energiespeichersystem (1) mit einem oberen Flüssigkeitsspeicher (3) zum Aufnehmen einer Flüssigkeit (6) und eines Fluids (20) und einem unteren Flüssigkeitsspeicher (5) zum Aufnehmen einer Flüssigkeit (6) und eines Fluids (20), ist versehen mit mindestens einer Flüssigkeitsleitung (7), die den oberen Flüssigkeitsspeicher (3) und den unteren Flüssigkeitsspeicher (5) verbindet, und mit einer in der mindestens einen Flüssigkeitsleitung (7) angeordneten Arbeitsmaschineneinheit (9) zum Befördern der Flüssigkeit (6) aus dem unteren Flüssigkeitsspeicher (5) in den oberen Flüssigkeitsspeicher (3) und einer in der mindestens einen Flüssigkeitsleitung (7) angeordneten ersten Kraftmaschineneinheit (11), die von aus der oberen Flüssigkeitsspeicher (3) durch die mindestens eine Flüssigkeitsleitung (7) in den unteren Flüssigkeitsspeicher (15) strömende Flüssigkeit (6) antreibbar ist. Die mindestens eine Fluidleitung (17) verbindet den oberen und den unteren Flüssigkeitsspeicher (3, 5), wobei der obere und der untere Flüssigkeitsspeicher (3, 5) mit der mindestens einen Flüssigkeitsleitung (7) und der mindestens einen Fluidleitung (17) ein geschlossenes System bilden. Eine zweite Kraftmaschineneinheit (19) ist in der mindestens einen Fluidleitung (17) angeordnet, die von durch die mindestens eine Fluidleitung strömenden Fluid (20) antreibbar ist.

Description

Vorliegende Erfindung betrifft ein Energiespeichersystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derartige Energiespeichersysteme sind beispielsweise in Form von Pumpspeicherkraftwerken bekannt.
Pumpspeicherkraftwerke werden insbesondere dazu genutzt, Überlasten im Stromnetz aufzunehmen und zu speichern. Die überschüssige Energie wird dabei genutzt, um Wasser aus einem unteren Wasserspeicher in einen oberen Wasserspeicher zu pumpen. Bei Spitzenlasten, die beispielsweise in der Mittagszeit oder am Abend vorliegen, wird das Wasser aus dem oberen Wasserspeicher wieder in den unteren Wasserspeicher geleitet, wobei die durch die Gefällhöhe in dem Wasser enthaltene Energie in Strom umgewandelt wird.
Herkömmliche Pumpspeicherkraftwerke haben jedoch den Nachteil, dass diese oberirdisch angeordnet sind und dadurch einen sehr hohen Platzbedarf besitzen. Ferner wird als unterer Wasserspeicher häufig ein Fluss oder ein See genutzt, sodass durch das Pumpspeicherkraftwerk es zu starken Pegelschwankungen in dem Fluss oder dem See kommen kann, was sich negativ auf Flora und Fauna auswirken kann. Für die bekannte Pumpspeichertechnik wird neben dem natürlichen unteren Flüssigkeitsspeicher eine ausreichende Gefällhöhe sowie ausreichend Platz für den oberen Flüssigkeitsspeicher benötigt, sodass die Anzahl von geeigneten Standorten sehr gering ist. Häufig ist ein geeigneter Standort darüber hinaus weit von den die Grundlast erzeugenden Kraftwerken entfernt, sodass bereits bei der Zuleitung zu dem Pumpspeicherkraftwerk hohe Leitungsverlusten auftreten. Darüber hinaus ist der Wirkungsgrad der bekannten Pumpspeicherkraftwerke relativ gering.
Daher ist die Anzahl der Neubauten von Pumpspeicherkraftwerken in der letzten Zeit stark zurückgegangen und man ist dazu übergegangen, bei Auftreten von Überlast einen Teil der die Grundlast erzeugenden regenerativen Kraftwerke wie Windkraftwerke und Solarkraftwerke abzuschalten. Beim Auftreten von Spitzenlasten wird der notwendige Strom häufig aus dem Ausland zugekauft. Ein derartiges Vorgehen ist aus ökonomischer und ökologischer Sicht jedoch wenig sinnvoll.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Energiespeichersystem bereitzustellen, dass die oben genannten Probleme vermeidet, indem eine Anordnung des Energiespeichersystems in der Nähe von stromerzeugenden Kraftwerken möglich ist, wobei gleichzeitig ein geringer Platzbedarf benötigt wird und die Gefährdung von Flora und Fauna verringert wird. Darüber hinaus soll das Energiespeichersystem einen höheren Wirkungsgrad als bekannte Pumpspeicherkraftwerke besitzen.
Die Aufgabe wird durch ein Energiespeichersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Energiespeichersystem einen oberen Flüssigkeitsspeicher zum Aufnehmen einer Flüssigkeit und einen unteren Flüssigkeitsspeicher zum Aufnehmen einer Flüssigkeit besitzt. Ferner weist das Energiespeichersystem mindestens eine Flüssigkeitsleitung auf, die den oberen Flüssigkeitsspeicher und den unteren Flüssigkeitsspeicher verbindet, wobei in der mindestens einen Flüssigkeitsleitung mindestens eine Arbeitsmaschineneinheit zum Befördern der Flüssigkeit aus dem unteren Flüssigkeitsspeicher in den oberen Flüssigkeitsspeicher und mindestens eine erste Kraftmaschineneinheit, die von aus der oberen Flüssigkeitsspeicher durch die mindestens eine Flüssigkeitsleitung in den unteren Flüssigkeitsspeicher strömende Flüssigkeit antreibar ist, angeordnet ist. Das Energiespeichersystem weist ferner eine Fluidleitung auf, die den oberen und den unteren Flüssigkeitsspeicher verbindet, wobei der obere und der untere Flüssigkeitsspeicher zusammen mit der mindestens einen Flüssigkeitsleitung und der mindestens einen Fluidleitung ein geschlossenes System bilden. In der Fluidleitung ist eine zweite Kraftmaschineneinheit angeordnet, die von durch die mindestens eine Fluidleitung strömenden Fluid antreibar ist.
Durch das Bilden eines geschlossenes Systems aus dem oberen und dem unteren Flüssigkeitsspeicher zusammen mit der Flüssigkeitsleitung und der Fluidleitung wird ermöglicht, dass beispielsweise beim Pumpen der Flüssigkeit aus dem unteren in den oberen Flüssigkeitsspeicher das zuvor in dem oberen Flüssigkeitsspeicher beispielsweise in Form von Luft enthaltene Fluid verdrängt wird und durch die Fluidleitung in den unteren Flüssigkeitsspeicher strömt. Dadurch kann die für die Verdrängung des Fluids durch die Arbeitsmaschineneinheit aufgewandte Energie teilweise zurückgewonnen werden, indem das Fluid die in der Fluidleitung angeordnete zweite Kraftmaschineneinheit antreibt. Um dies zu ermöglichen ist es selbstverständlich notwendig, dass der obere und der untere Flüssigkeitsspeicher im Wesentlichen geschlossen sind, d. h. dass lediglich Öffnungen für die Fluidleitung und die Flüssigkeitsleitung in den Flüssigkeitsspeichern vorhanden sind. Durch das Vorsehen eines geschlossenen Systems ist darüber hinaus die Gefährdung der Umwelt deutlich geringer, da keine Seen oder Flüsse als Flüssigkeitsspeicher verwendet werden.
Durch das Bilden eines geschlossenen Systems ist es darüber hinaus möglich, das Energiespeichersystem oder zumindest Teile davon unterirdisch anzuordnen, sodass der überirdische Platzbedarf deutlich verringert ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Fluid eine geringere Dichte als die Flüssigkeit besitzt und vorzugsweise Luft oder ein Gas ist. Dadurch ist es möglich, Fluid und Flüssigkeit klar voneinander zu trennen, wobei beispielsweise die Fluidleitung jeweils in einem oberen Bereich des oberen und unteren Flüssigkeitsspeichers angeschlossen sein kann. Dadurch ist es auf besonders einfache Art und Weise möglich, das bei der Beförderung der Flüssigkeit aus dem unteren Flüssigkeitsspeicher in den oberen Flüssigkeitsspeicher oder aus dem oberen Flüssigkeitsspeichen in den unteren Flüssigkeitsspeicher verdrängte Fluid zur Erzeugung von Energie zu nutzen.
Bei der Verwendung von Luft oder Gas als Fluid ist in vorteilhafter Weise vorgesehen, dass die zweite Kraftmaschineneinheit mindestens eine Luftturbine, vorzugsweise zwei gegenläufig angeordnete Luftturbinen aufweist. Durch die Nutzung von Luftturbinen ist die Erzeugung von Energie mit der verdrängten Luft oder dem verdrängten Gas in besonders vorteilhafter Weise möglich.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Arbeitsmaschineneinheit und die erste Kraftmaschineneinheit durch eine Pumpenturbine gebildet sind, vorzugsweise eine Francisturbine. Pumpenturbinen haben den Vorteil, dass diese in zwei Arbeitsrichtungen nutzbar sind, wobei die Pumpenturbine in der einen Arbeitsrichtung als Arbeitsmaschine funktioniert und somit die Flüssigkeit pumpt, während in der anderen Arbeitsrichtung die Pumpenturbine als Kraftmaschine funktioniert und somit von der Flüssigkeit angetrieben werden kann.
Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass der obere und/oder der untere Flüssigkeitsspeicher tunnelförmig ausgebildet ist. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Flüssigkeitsspeicher Ringtunnel sind.
Das gesamte Energiespeichersystem und insbesondere der obere und/oder der untere Flüssigkeitsspeicher können unterirdisch angeordnet sein.
Dadurch wird ein äußerst geringer Platzbedarf an der Oberfläche für das erfindungsgemäße Energiespeichersystem benötigt. Darüber hinaus werden keine besonderen Anforderungen an den Standort, an dem das erfindungsgemäße Energiespeichersystem gebaut werden soll, gestellt, da das notwendige Gefälle dadurch erzeugt werden kann, indem der untere Flüssigkeitsspeicher tiefer in die Erde gebaut wird als der obere Flüssigkeitsspeicher. Auch besteht die Möglichkeit, ausgediente Abraumgebiete aus dem Bergbau für das erfindungsgemäße Energiespeichersystem zu nutzen, indem beispielsweise alte Stollen als unterer oder oberer Flüssigkeitsspeicher genutzt werden.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die einzige Figur die Erfindung näher erläutert.
In der Figur ist ein erfindungsgemäßes Energiespeichersystem sehr schematisch dargestellt. Das Energiespeichersystem 1 besteht aus einem oberen Flüssigkeitsspeicher 3 und einem unteren Flüssigkeitsspeicher 5, die unterirdisch, beispielsweise in einem Berg 100 angeordnet sind. Der obere Flüssigkeitsspeicher 3 und der untere Flüssigkeitsspeicher 5 können dabei beispielsweise ausgediente Stollen aus dem Bergbau sein. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Flüssigkeitsspeicher 3, 5 durch entsprechende Bohrungen zu schaffen. Dabei ist es zwischenzeitlich aufgrund der modernen Bohrtechnik möglich, die Flüssigkeitsspeicher 3, 5 relativ kostengünstig neu zu schaffen.
Der obere und der untere Flüssigkeitsspeicher 3, 5 können beispielsweise tunnelförmig ausgestaltet sein. Beispielsweise können mehrere miteinander verbundene parallele Tunnel als Flüssigkeitsspeicher 3, 5 dienen. Auch ist es möglich, die Flüssigkeitsspeicher als Ringtunnel auszugestalten.
In dem in der einzigen Figur dargestellten Ausführungsbeispiel ist der obere Flüssigkeitsspeicher 3 und der untere Flüssigkeitsspeicher 5 als große Aushöhlung dargestellt.
Der obere Flüssigkeitsspeicher 3 und der untere Flüssigkeitsspeicher 5 sind über eine Flüssigkeitsleitung 7 miteinander verbunden. Dabei ist die Flüssigkeitsleitung 7 jeweils im unteren Bereich der Flüssigkeitsspeicher 3, 5 angeschlossen. In der Flüssigkeitsleitung 7 sind eine erste Kraftmaschineneinheit 11 und eine Arbeitsmaschineneinheit 9 angeordnet. Die Arbeitsmaschineneinheit 9 kann dabei als Pumpe ausgestaltet sein, die als Antrieb einen Motor 13 aufweist, um aus dem unteren Flüssigkeitsspeicher 5 die Flüssigkeit 6 in den oberen Flüssigkeitsspeicher 3 zu pumpen. Die erste Kraftmaschineneinheit 11 kann beispielsweise als Wasserturbine ausgestaltet sein, die ein Generator 15 antreibt, wenn die Flüssigkeit 6 aus dem oberen Flüssigkeitsspeicher 3 durch die Flüssigkeitsleitung 7 in den unteren Flüssigkeitsspeicher 5 geleitet wird.
Jeweils im oberen Bereich des oberen Flüssigkeitsspeichers 3 und des unteren Flüssigkeitsspeichers 5 ist eine Fluidleitung 17 angeschlossen, die den oberen Flüssigkeitsspeicher 3 ebenfalls mit dem unteren Flüssigkeitsspeicher 5 verbindet. In der Fluidleitung 17 ist eine zweite Kraftmaschineneinheit 19 mit einem Generator 19a angeordnet. In dem oberen Flüssigkeitsspeicher 3 und dem unteren Flüssigkeitsspeicher 5 ist neben der Flüssigkeit 6 ein Fluid 20 enthalten, das das nicht von der Flüssigkeit 6 ausgefüllte Volumen der Flüssigkeitsspeicher 3, 5 ausfüllt. Das Fluid 20 kann beispielsweise Luft sein.
Der obere Flüssigkeitsspeicher 3 und der untere Flüssigkeitsspeicher 5 bilden zusammen mit der Flüssigkeitsleitung 7 und der Fluidleitung 17 ein geschlossenes System. Wird nun mit Hilfe der Arbeitsmaschineneinheit 9 die Flüssigkeit aus dem unteren Flüssigkeitsspeicher 5 in den oberen Flüssigkeitsspeicher 3 gepumpt, wird das in dem oberen Flüssigkeitsspeicher 3 enthaltene Fluid 20 verdrängt und strömt durch die Fluidleitung 17 in den unteren Flüssigkeitsspeicher 5. Dabei treibt die Strömung des Fluids 20 die zweite Kraftmaschineneinheit 19 an, die über den Generator 19a Strom erzeugt. Die Kraftmaschineneinheit 19 kann beispielsweise als Luftturbine ausgebildet sein. Vorzugsweise besteht die Kraftmaschineneinheit 19 aus zwei gegenläufig angeordneten Luftturbinen, sodass die Kraftmaschineneinheit 19 auch bei einer Strömung des Fluids 20 in umgekehrter Richtung angetrieben wird. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass die zweite Kraftmaschineneinheit 19 aus einer Luftturbine besteht, die zwei Arbeitsrichtungen aufweist.
Wird die in dem oberen Flüssigkeitsspeicher 3 enthaltene Flüssigkeit 6 durch die Flüssigkeitsleitung 7 in den unteren Flüssigkeitsspeicher 5 geleitet, treibt diese die erste Kraftmaschineneinheit 11 an, sodass mit Hilfe des Generators 15 Strom erzeugt werden kann. Dabei strömt wiederum das in dem unteren Flüssigkeitsspeicher 5 enthaltene Fluid 20 durch die Fluidleitung 17 in den oberen Flüssigkeitsspeicher 3 und treibt die zweite Kraftmaschineneinheit 19 an, die über den Generator 19a Strom erzeugt.
Die erste Kraftmaschineneinheit 9 und die Arbeitsmaschineneinheit 11 können beispielsweise auch gemeinsam durch eine Pumpenturbine, vorzugsweise eine Francisturbine gebildet sein. Auch ist es möglich, dass der Generator 15 und der Motor 13 durch einen Motorgenerator gebildet sind.
In der Flüssigkeitsleitung 7 und der Fluidleitung 17 können nicht dargestellte Armaturen, wie beispielsweise Ventile vorgesehen sein, die zur Steuerung des erfindungsgemäßen Energiespeichersystems 1 dienen.
Ferner können die Flüssigkeitsleitung 7 und die Fluidleitung 17 mit verschließbaren Versorgungsleitungen 21, die von außen zugänglich sind, verbunden sein, um beispielsweise Leckageverluste der Flüssigkeit oder des Fluids auszugleichen.
Dadurch, dass das erfindungsgemäße Energiespeichersystem 1 als geschlossenes System ausgebildet ist, ist es möglich, die für die Verdrängung des in dem oberen oder unteren Flüssigkeitsspeicher 3, 5 ebenfalls enthaltenen Fluids 20 notwendige Energie zumindest teilweise zurückzugewinnen. Dadurch wird der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Energiespeichersystems gegenüber eines herkömmlichen Pumpspeicherwerks deutlich erhöht.
Durch die unterirdische Anordnung des erfindungsgemäßen Energiespeichersystems 1 kann das Energiespeichersystem 1 in der Nähe von energieerzeugenden Kraftwerken, wie beispielsweise Windkraftwerken 110, Solarkraftwerken 120 oder kleinen Kraftwerken, wie Blockheizkraftwerken 125 angeordnet sein. Die Kraftwerke sind über Stromleitungen 130 mit dem Motor 13 der Arbeitsmaschineneinheit 9 verbunden. Bei Überlast in dem Stromsystem kann über die Stromleitung 130 der überschüssige Strom zur Versorgung des Motors 13 genutzt werden, sodass die Flüssigkeit 6 über die Arbeitsmaschineneinheit 9 aus dem unteren Flüssigkeitsspeicher 5 in den oberen Flüssigkeitsspeicher 3 gepumpt wird. Dadurch ist es nicht mehr notwendig, die entsprechenden Kraftwerke bei Überlast abzuschalten.
Der bei dem Pumpen der Flüssigkeit aus dem unteren Flüssigkeitsspeicher 5 in den oberen Flüssigkeitsspeicher 3 von dem verdrängten Fluid 20 durch die zweite Kraftmaschineneinheit 19 erzeugte Strom kann über eine Stromleitung 132 an den Motor der Arbeitsmaschineneinheit 9 geleitet werden, sodass diese Energie nutzbar zurückgewonnen wird. Bei der Erzeugung von Strom mit Hilfe der ersten Kraftmaschineneinheit 11 und der zweiten Kraftmaschineneinheit 19 sowie den jeweiligen Generatoren 15 und 19a kann der Strom über eine Stromleitung 134 in das öffentliche Netz eingespeist werden.
Als Fluid 20 kann Luft oder ein Gas verwendet werden. Auch ist es möglich, dass das Fluid eine Flüssigkeit ist, die eine geringere Dichte als die Flüssigkeit 6 aufweist. Wenn das Fluid 20 als Flüssigkeit verwendet wird, muss die zweite Kraftmaschineneinheit 19 selbstverständlich entsprechend angepasst sein, sodass diese durch eine Flüssigkeit antreibbar ist.
Das erfindungsgemäße Energiespeichersystem hat den Vorteil, dass keine besonderen Anforderungen an den Standort notwendig sind, da das Energiespeichersystem unterirdisch gebaut werden kann. Darüber hinaus ist es möglich, dass erfindungsgemäße Energiespeichersystem dezentral in der Nähe von stromerzeugenden Kraftwerken anzuordnen, sodass nur geringere Leitungsverluste entstehen. Durch das Vorsehen einer zweiten Kraftmaschineneinheit und das Ausbilden eines geschlossenen Systems wird darüber hinaus ein hoher Wirkungsgrad des Energiespeichersystems erreicht.

Claims

Energiespeichersystem (1) mit einem oberen Flüssigkeitsspeicher (3) zum Aufnehmen einer Flüssigkeit (6) und eines Fluids (20) und einem unteren Flüssigkeitsspeicher (5) zum Aufnehmen einer Flüssigkeit (6) und eines Fluids (20), mit – mindestens einer Flüssigkeitsleitung (7), die den oberen Flüssigkeitsspeicher (3) und den unteren Flüssigkeitsspeicher (5) verbindet, und mit einer in der mindestens einen Flüssigkeitsleitung (7) angeordneten Arbeitsmaschineneinheit (9) zum Befördern der Flüssigkeit (6) aus dem unteren Flüssigkeitsspeicher (5) in den oberen Flüssigkeitsspeicher (3) und – einer in der mindestens einen Flüssigkeitsleitung (7) angeordneten ersten Kraftmaschineneinheit (11), die von aus der oberen Flüssigkeitsspeicher (3) durch die mindestens eine Flüssigkeitsleitung (7) in den unteren Flüssigkeitsspeicher (15) strömende Flüssigkeit (6) antreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, – dass mindestens eine Fluidleitung (17) den oberen und den unteren Flüssigkeitsspeicher (3, 5) verbindet, wobei der obere und der untere Flüssigkeitsspeicher (3, 5) mit der mindestens einen Flüssigkeitsleitung (7) und der mindestens einen Fluidleitung (17) ein geschlossenes System bilden und – dass eine zweite Kraftmaschineneinheit (19) in der mindestens einen Fluidleitung (17) angeordnet ist, die von durch die mindestens eine Fluidleitung strömenden Fluid (20) antreibbar ist.
Energiespeichersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid (20) eine geringere Dichte als die Flüssigkeit (6) besitzt und vorzugsweise Luft oder ein Gas ist.
Energiespeichersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kraftmaschineneinheit (19) mindestens eine Luftturbine, vorzugsweise zwei gegenläufig angeordnete Luftturbinen, aufweist.
Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsmaschineneinheit (9) und die erste Kraftmaschineneinheit (11) durch eine Pumpenturbine gebildet sind, vorzugsweise eine Francisturbine.
Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der obere und/oder der untere Flüssigkeitsspeicher (3, 5) tunnelförmig, vorzugsweise ringtunnelförmig, ausgebildet ist.
Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der obere und/oder der untere Flüssigkeitsspeicher (3, 5) unterirdisch angeordnet ist.