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Die Erfindung betrifft eine Druck-Speichereinrichtung für komprimierbare Gase.
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Zur Energiespeicherung ist es möglich, Gase oder Gasgemische wie Luft zu komprimieren und diese in Druck-Speichereinrichtungen zu bevorraten. Um aus dem gespeicherten Druckgas elektrische Energie zu erzeugen, wäre es sodann möglich, mit Hilfe einer entsprechenden Turbineneinrichtung einen Generator zu betreiben. Durch Vorsehen geeigneter Druck-Speichereinrichtungen könnte somit ein Zwischenspeichern von Energie erfolgen, um Energieschwankungen auszugleichen. Das Speichern von großen Gasmengen ist mit Hilfe bekannter Druckflaschen jedoch wirtschaftlich nicht möglich. Bekannte Druckflaschen weisen eine verhältnismäßig geringe Füllmenge auf und sind ferner schwer. Die Nutzung einer Vielzahl derartiger Druckflaschen zur Speicherung großer Gasmengen ist wirtschaftlich nicht zweckmäßig.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Druckspeicher für komprimierte Gase zu schaffen, mit dem auch große Mengen an komprimiertem Gas gespeichert werden können. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Druckspeichers zu schaffen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch eine Druckspeichereinrichtung gemäß Anspruch 1, 13 oder 17, bzw. durch ein Verfahren gemäß Anspruch 22.
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Die erfindungsgemäße Druck-Speichereinrichtung für komprimierte Gase weist einen doppelwandigen Druckbehälter auf. Der doppelwandige Druckbehälter weist eine Innenwand aus gasdichtem Material auf. Zwischen der Innenwand und einer Außenwand ist zur Aussteifung eine Bindemittelschicht vorgesehen. Bei einem derartigem erfindungsgemäßen Aufbau eines doppelwandigen Druckbehälters ist es möglich, die Innenwand sowie die Außenwand aus einer verhältnismäßig dünnen Schicht, beispielsweise einem Metallblech, herzustellen. Diese dünnen Wände würden einem entsprechend hohen Innendruck nicht standhalten. Der Druckbehälter wird daher erfindungsgemäß durch eine Bindemittelschicht ausgesteift. Hierbei kann als Bindemittel ein preisgünstiges Material wie Zement oder Beton verwendet werden. Insbesondere handelt es sich bei der Trennmittelschicht um Polymer-Beton oder Mineralguss. Des Weiteren ist es bevorzugt, dass das Bindemittel beim Aushärten nicht oder allenfalls nur geringfügig schrumpft, so dass das Ausbilden von Hohlräumen vermieden ist. Gegebenenfalls erfolgt ein geringfügiges Expandieren des Bindemittels beim Aushärten.
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Durch den erfindungsgemäßen Aufbau des doppelwandigen Behälters aus insbesondere hochwertigem gasdichtem Material an der Innenwand, einer stabilen Außenwand, die jedoch nicht unbedingt aus gasdichtem Material hergestellt sein muss, und einer Bindemittelschicht aus günstigem Material ist es möglich, sehr große Druckbehälter bei geringen Herstellungskosten zu schaffen. Insbesondere kann die Bindemittelschicht Stahlbeton aufweisen. Des Weiteren kann die Bindemittelschicht auch als Isolierschicht ausgebildet sein. Dies kann durch das Vorsehen von Isolationsmaterial, wie beispielsweise auch Glas, in der Bindemittelschicht realisiert werden.
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Bei der Außenwand des erfindungsgemäßen doppelwandigen Druckbehälters kann es sich auch um Erdmassiv handeln. Es ist erfindungsgemäß vorteilhaft, vorhandene großvolumige Hohlräume im Erdmassiv, wie beispielsweise Teile von Bergwerken, zur Speicherung zu nutzen. Hierzu wird erfindungsgemäß die Wand des Hohlraums ausgekleidet, indem eine Innenwand aus gasdichtem Material vorgesehen wird, und zwischen der Innenwand und der durch das Erdmassiv selbst gebildeten Außenwand zur Aussteifung eine Bindemittelschicht vorgesehen wird. Ein derartiger im Erdmassiv vorgesehener, hierdurch gebildeter doppelwandiger Druckbehälter hat Insbesondere den Vorteil, dass er hohen Drucken standhält.
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Des Weiteren ist es möglich, dass die Außenwand der Druck-Speichereinrichtung durch eine Gebäudewand, insbesondere eine Kellerwand ausgebildet ist. Als Behälter können beispielsweise auch Säulen von Windrädern, Innenräume einer Straßenlaterne oder dergleichen genutzt werden. Selbstverständlich sind auch unterschiedliche Ausgestaltungen der Druck-Speichereinrichtung möglich.
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Bei der nachfolgend stets als Außenwand bezeichneten Wand des erfindungsgemäßen doppelwandigen Druckbehälters kann es sich in bevorzugter Ausführungsform um Erdmassiv handeln.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Druck-Speichereinrichtung ist zwischen der Innenwand und der Außenwand mindestens ein Rohrelement angeordnet. Das Rohrelement wird hierbei vorzugsweise mit Bindemittel gefüllt. Hierbei kann ein einziges, beispielsweise spiralförmig ausgebildetes Rohrelement und/oder mehrere in sich geschlossene, insbesondere ringförmige Rohrelemente vorgesehen sein. Das mindestens eine Rohrelement umgibt hierbei vorzugsweise den Druckraum, insbesondere vollständig. Bei einem beispielsweise zylindrischen Druckraum sind insbesondere mehrere Rohrelemente einerseits im Zylindermantel aber auch im Zylinderboden und im Zylinderdeckel angeordnet. Das mindestens eine Rohrelement weist in bevorzugter Ausführungsform Kunststoff, insbesondere Kunststoffverbundwerkstoffe auf. Besonders bevorzugt ist es, dass ein Rohrelement aus einem Faserverbundwerkstoff, wie Kohlefaser, Glasfaser oder dergleichen herzustellen. Dies hat den wesentlichen Vorteil, dass das Rohrelement sehr leicht ist und insofern einfach transportiert werden kann. Die einzelnen Rohrelemente können somit in einer Fabrik hergestellt werden, auf einfache Weise zum Einsatzort transportiert und dort durch Verfüllen verfestigt werden.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Druck-Speichereinrichtung unter Verwendung derartiger Rohrelemente wird somit vorzugsweise in einer Fabrik das mindestens eine Rohrelement hergestellt und kann sodann einfach und kostengünstig zum Einsatzort transportiert werden. Am Einsatzort wird das mindestens eine Rohrelement in seiner Endstellung angeordnet und sodann mit Bindemittel verfüllt. Vor oder nach dem Verfüllen des mindestens einen Rohrelements erfolgt ein Anordnen der Innenwand und, sofern es sich um eine gesonderte Außenwand und nicht um Außenwand wie Erdmassiv handelt, auch ein Anordnen der Außenwand der Druck-Speichereinrichtung. Das bereits verfüllte oder noch zu verfüllende mindestens eine Rohrelement ist somit zwischen der Innenwand und der Außenwand der Druck-Speichereinrichtung angeordnet. Im nächsten Schritt erfolgt sodann ein Verfüllen des mindestens einen Rohrelements und anschließend oder gleichzeitig ein Verfüllen des Zwischenraums zwischen dem mindestens einen Rohrelement und der Innenwand sowie der Außenwand. Nach dem Aushärten des Bindemittels kann somit auf einfache und kostengünstige Weise eine großvolumige Druck-Speichereinrichtung hergestellt werden. Die insbesondere mehreren Rohrelemente sind vorzugsweise in allen Zwischenräumen zwischen der Innenwand und der Außenwand angeordnet, so dass bei einem beispielsweise zylindrischen Druckbehälter Rohrelemente in der Mantelfläche sowie auch in dem Zylinderdeckel als auch in dem Zylinderboden angeordnet sind.
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Die Innen- und/oder die Außenwand der Druck-Speichereinrichtung kann, um beispielsweise vor dem Verfüllen die Lage des mindestens einen Rohrelements relativ zu den Wänden zu definieren, mit einer der beiden Wände verbunden sein. Dies kann, wenn beispielsweise auch die Innen- und/oder die Außenwand aus Kunststoffmaterial ist, durch Verschweißen erfolgen.
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Besonders bevorzugt ist es, die Innenwand mit der Außenwand über Versteifungselemente, wie Versteifungsstreben, miteinander zu verbinden. Hierbei kann als Versteifungselement auch das mindestens eine Rohrelement dienen. Dies ist insbesondere auf einfache Weise möglich, wenn sowohl die Innenwand als auch die Außenwand aus einem schweißbaren Material wie Kunststoff hergestellt sind. Die Versteifungselemente können beispielsweise auch als Wabenstruktur ausgebildet sein. Durch die Versteifungselemente ist ein formstabiler gerüstartiger Aufbau aus Innenwand, Außenwand und Versteifungsstreben gebildet. Dieser kann sodann in einem weiteren Verfahrensschritt mit einem Bindemittel, wie Beton, Betonpolymer, Betonmineralguss etc. verfüllt werden. Hierdurch ist bei sehr geringen Herstellungskosten ein äußerst druckstabiler Behälter realisierbar. Es können hierdurch zylindrische bzw. rohrförmige Druckbehälter großer Länge hergestellt werden. Insbesondere sind Druckbehälter herstellbar, die entsprechend einer Überseepipeline aufgebaut sind. Insbesondere kann diese Pipeline auch in einem Kreis mit mehreren Spiralen verlegt werden. Derartige Druckbehälter können sich über mehrere hundert Meter oder gar mehrere Kilometer erstrecken und beispielsweise in Schächten am Meeresgrund oder dergleichen angeordnet sein. Derartige rohrförmige Druckbehälter können in einer Art Endlosverfahren hergestellt werden, so dass große Längen realisierbar sind. Beispielsweise weist ein derartiger Druckbehälter eine Innenwand und eine Außenwand aus insbesondere faserverstärktem Kunststoff auf. Die Dicke der Stahlwand kann hierbei im Bereich von einigen Millimetern liegen, wobei die Innenwand dünner als die Außenwand ausgestaltet sein kann. Die zwischen den beiden Wänden angeordnete Bindemittelschicht weist vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 40–100 mm auf. Bereits hierdurch sind Druckbehälter realisierbar, in denen Gasdruck von ca. 200 bar gespeichert werden kann. Bei einer etwas massiveren Ausgestaltung können auch Druckbehälter realisiert werden, in denen Gas mit einem Druck von ca. bis zu 400 bar gespeichert werden kann.
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Da die Druckbeständigkeit des Druckbehälters im Wesentlichen durch eine aus kostengünstigem Material herstellbare Bindemittelschicht realisiert wird, können doppelwandige Druckbehälter mit großen Volumina realisiert werden. insbesondere ist es möglich, Druckbehälter zu bauen, die ein Volumen von mehr als 25 l, insbesondere mehr als 1.000 l und besonders bevorzugt mehr als 100.000 l aufweisen.
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Durch den erfindungsgemäßen Aufbau als doppelwandigen Druckbehälter ist es möglich innerhalb des Behälters ein Gas, wie beispielsweise Luft, mit einem Druck von mehr als 200 bar, insbesondere mehr als 400 bar zu speichern.
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Die Innenwand aus gasdichtem Material kann eine Kunststoffschicht aufweisen und auch als Kunststoffbehälter ausgebildet sein. Insbesondere handelt es sich hierbei um einen im Wesentlichen kreiszylindrischen Behälter. Selbstverständlich kann die Innenwand auch aus Verbundmaterial hergestellt sein. Wesentlich ist, dass es sich um ein gasdichtes Material bzw. ein Material mit einer gasdichten Schicht oder Beschichtung handelt. Die Außenwand dient zur Ausbildung eines Hohlraums zwischen Innenwand und Außenwand, um die Bindemittelschicht aus einem aushärtenden und/oder abbindenden Material aufzunehmen. Die Außenwand muss insofern nicht aus einem gasdichten Material bestehen. Insbesondere aus Stabilitätsgründen ist es bevorzugt, dass die Innenwand und/oder die Außenwand aus einem Blech, insbesondere einem Metallblech, hergestellt sind. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, die Innenwand mit der Außenwand über Stege, wie Stahlbeton, miteinander zu verbinden, um eine weitere Erhöhung der Steifigkeit zu realisieren Insbesondere kann hierdurch eine als Stahlbeton ausgebildete Bindemittelschicht realisiert werden. Ferner können in dem Bereich zwischen der Innen- und der Außenwand ggf. mit diesen verbundene Armierungen vorgesehen sein. Zwischen der Innenwand und der Außenwand können auch weitere Zwischenwände vorgesehen sein, so dass ein mehrwandiger Behälter realisiert ist. Des Weiteren ist es möglich und zur Verringerung der Transportkosten zweckmäßig, die Innenwand und/oder die Außenwand aus Kunststoff oder Kunststoffverbundmaterial herzustellen und zwischen den Wänden beispielsweise Rohrelemente vorzusehen, die zur Versteifung dienen und ebenfalls aus Kunststoff oder Kunststoffverbundmaterial hergestellt sind.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist die Innenwand aus einzelnen rohrförmigen Elementen zusammengesetzt. Diese sind an den insbesondere ringförmigen Verbindungsstellen beispielsweise durch Verschweißen (Stahl, Kunststoff), Verkleben oder Verschrauben miteinander verbunden. Ebenso ist es möglich, eine beispielsweise durch derartige Einzelteile zusammengesetzte Innenwand mit einer gasdichten Folie oder Auskleidung zu verkleiden. Besonders bevorzugt ist es, derartige rohrförmige Elemente mit einem umlaufenden Gewinde zu versehen, so dass durch Zusammenschrauben von zwei oder mehr rohrförmigen Elementen ein sehr großer Druckbehälter realisiert werden kann.
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Ferner besteht beim Speichern großer komprimierter Gasmengen die Forderung, dass diese bei möglichst hohem Druck von vorzugsweise mehr als 200 bar, insbesondere mehr als 400 bar gespeichert werden. Dies ist erforderlich, um eine möglichst große Energiemenge pro Volumeneinheit zu speichern. Hierbei ist es bevorzugt, doppelwandige Druckbehälter kugelförmig auszugestalten. Dies ist insbesondere bei Druckbehältern aus Kunststoff, wie faserverstärktem Kunststoff möglich.
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Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind mehrere Druckbehälter miteinander kombiniert. Hierbei ist ein Haupt-Druckbehälter vorgesehen. Innerhalb des Haupt-Druckbehälter ist mindestens ein Neben-Druckbehälter angeordnet, wobei sowohl der Haupt-Druckbehälter als auch der mindestens eine Neben-Druckbehälter wie vorstehend beschrieben aufgebaut sind. Eine derartige Anordnung mehrerer ineinander angeordneter Druckbehälter hat den Vorteil, dass ein innenliegender Neben-Druckbehälter mit einem vergleichsweise hohen Druck von beispielsweise 400 bar und ein den Neben-Druckbehälter umgebender Haupt-Druckbehälter mit einem geringeren Druck von beispielsweise 200 bar befüllt sein kann. Dies hat den Vorteil, dass die Behälterwand des Neben-Druckbehälters schwächer bzw. dünner und somit kostengünstiger ausgelegt werden kann, da für die Auslegung der Behälterwand der Druckunterschied zwischen der Innenseite und der Außenseite der Behälterwand relevant ist. In vorstehendem Beispiel ist der Druckunterschied nur 200 bar, so dass die Behälterwand des Neben Druckbehälter erheblich dünner und kostengünstiger ausgelegt werden kann als die Behälterwand eines Behälters, in dem ein hoher Druck von 400 bar gespeichert wird und der Behälter von Atmosphärendruck umgeben ist.
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Das Befüllen und Entleeren derartiger ineinander angeordneter Druckbehälter ist hierbei vorzugsweise derart gesteuert, dass die Druckunterschiede zwischen einer Behälterinnenwand und einer Behälteraußenwand den für die entsprechende Konstruktion zulässigen Druckunterschied nicht überschreiten.
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Beispielsweise ist es möglich, mehrere Druckbehälter konzentrisch ineinander anzuordnen. Auch können in einem äußeren Haupt-Druckbehälter unabhängig voneinander mehrere einzelne Druckbehälter angeordnet sein oder beispielsweise einen inneren Druckbehälter umgeben.
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Um einen Druckbehälter einer Druck-Speichereinrichtung mit Gas zu befüllen, weist eine weitere, eine unabhängige Erfindung darstellende Druck-Speichereinrichtung mindestens einen Druckbehälter zum Speichern des komprimierten Gases sowie eine Druckerzeugungseinrichtung auf. Die Druckerzeugungseinrichtung weist einen in einem Zylinder angeordneten Druckkolben auf. Der Druckkolben, der als Freikolben ausgebildet sein kann, unterteilt den Innenraum des Zylinders in einen Hydraulikraum und einen Druckraum. Der Druckraum ist beispielsweise über eine oder mehrere Leitungen mit dem mindestens einen Druckbehälter verbunden. Das Bewegen des Druckkolbens erfolgt durch Zufuhr von Hydraulikflüssigkeit zu dem Hydraulikraum. Es ist somit möglich, durch insbesondere kontinuierliches Zuführen von Hydraulikflüssigkeit zu dem Hydraulikraum das Gas zu komprimieren. Das Fördern des Hydraulikfluids kann hierbei durch eine Pumpe erfolgen. Der Antrieb der Pumpe kann mechanisch, beispielsweise durch Wasserkraft oder Windkraft oder auch elektrisch, beispielsweise durch Sonnenenergie, erfolgen.
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Bei einer bevorzugten alternativen Ausgestaltung der Druck-Speichereinrichtung erfolgt die Druckerzeugung nicht mit Hilfe eines in einer Druckerzeugungseinrichtung angeordneten Druckkolbens. Stattdessen wird in einen Druckbehälter mit Hilfe einer Pumpeinrichtung Flüssigkeit, insbesondere Wasser, gepumpt. Die Wasseroberfläche entspricht somit der Kolbenoberfläche. Die Flüssigkeit wird vorzugsweise über eine als Hydraulikpumpe ausgebildete Pumpeinrichtung in den Druckbehälter gepumpt. Durch Vergrößern der Flüssigkeitsmenge erfolgt ein Komprimieren des in dem Druckbehälter vorhandenen Gases. Das Vorsehen von Flüssigkeit, insbesondere Wasser, in dem Druckbehälter anstelle eines Druckkolbens hat den wesentlichen Vorteil, dass bei einem sehr großvolumigen Druckbehälter anstelle von großen Mengen an Hydraulikfluid Wasser oder eine andere kostengünstige Flüssigkeit in den Druckbehälter gepumpt wird. Das Vorsehen von Hydraulikflüssigkeit ist dabei je nach Art der Pumpe lediglich für die Pumpe selbst erforderlich, so dass nur eine geringe Menge an Hydraulikflüssigkeit benötigt wird.
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Vorzugsweise ist ferner ein Flüssigkeitsreservoir, insbesondere ein Wasserreservoir, vorgesehen, aus dem mit Hilfe der Pumpeinrichtung die Flüssigkeit in den Druckbehälter gepumpt wird. Da in besonders bevorzugter Ausführungsform der Erfindung Druckspeicher mit großen Volumina verwendet werden, um große Energiemengen speichern zu können, erfolgt ein verhältnismäßig langsames Zuführen von Flüssigkeit, wie Wasser, zu dem Druckbehälter. Hierdurch ist ein starkes Schwappen oder Bewegen des Wassers innerhalb des Druckbehälters vermieden, so dass die Wasseroberfläche als Kolbenoberfläche genutzt werden kann.
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Die in dem mindestens einen Druckbehälter durch Kompression des Gases gespeicherte Energie kann bei Bedarf in elektrische Energie umgewandelt werden. Dies kann auf einfache Weise dadurch erfolgen, dass das Druckgas zum mittelbaren oder unmittelbaren Antreiben eines Generators genutzt wird. Insbesondere bei der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Druck-Speichereinrichtung, bei der anstelle des Druckkolbens Flüssigkeit, wie Wasser, in den Druckbehälter gepumpt wird, kann zur Stromerzeugung die entsprechende Flüssigkeit aus dem Druckbehälter abgelassen und einer Strom-Erzeugungseinrichtung zugeführt werden. Aufgrund des Gasdrucks in dem Druckbehälter wird beispielsweise durch einfaches Öffnen eines Ventils das Wasser oder eine andere Flüssigkeit aus dem Druckbehälter herausgedrückt und kann somit auf einfache Weise zur Stromerzeugung genutzt werden. Das Wasser wird sodann vorzugsweise wieder in das Wasserreservoir zurückgeführt.
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Durch eine derartige Speichereinrichtung mit mindestens einem Druckbehälter und einer Druckerzeugungseinrichtung ist es somit möglich, Energie in Form von komprimiertem Gas zu speichern und sodann beispielsweise zum Ausgleich von Schwankungen im Stromnetz oder zum Abfangen von temporärem hohem Energiebedarf zur Stromerzeugung zu nutzen. Des Weiteren ist es möglich, eine Stromerzeugung dadurch zu realisieren, dass die Druckerzeugungseinrichtung bzw. Pumpeinrichtung in umgekehrter Funktionsweise genutzt wird.
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Der Zylinder der Druckerzeugungseinrichtung ist in besonders bevorzugter Ausführungsform entsprechend dem doppel- bzw. mehrwandigen Druckbehälter aufgebaut. Zur Herstellung großvolumiger langer Zylinder ist es möglich, einzelne zylindrische Rohre miteinander zu verbinden. Dies ist insbesondere durch umlaufende Gewinde an den Verbindungsstellen realisierbar. Das Verbinden über umlaufende Gewinde hat hierbei den erfindungsgemäßen wesentlichen Vorteil, dass ein Zylinder mit großer Länge realisiert werden kann, wobei auch an den Verbindungsstellen ein konstanter Durchmesser realisiert ist. Verformungen durch die Verbindung der Zylinder sind hierdurch ausgeschlossen. Dies ist erforderlich, um ein zuverlässiges Abdichten zwischen dem Druckkolben und der Innenwand des Zylinders zu realisieren.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Druck-Speichereinrichtung sind mehrere Druckbehälter vorgesehen, die mit einer einzigen Druckerzeugungseinrichtung bzw. Pumpeinrichtung befüllt werden. Hierbei ist es bevorzugt, dass die Verbindung zwischen der Druckerzeugungseinrichtung bzw. Pumpeinrichtung und den einzelnen Druckbehältern über eine verzweigte Leitung erfolgt, wobei in der Leitung vorzugsweise Ventileinrichtung angeordnet sind. Durch ein entsprechendes Ansteuern der Ventileinrichtungen ist es möglich, die einzelnen Druckbehälter nacheinander zu befüllen. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass einzelne Druckbehälter zunächst auf einen gewünschten Druck befüllt werden, bevor ein nächster Druckbehälter befüllt wird. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass ein vollständig befüllter Druckbehälter bei Bedarf zum Antrieb einer Turbine oder dergleichen zur Stromerzeugung genutzt werden kann.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung sind die mehreren Druckbehälter derart angeordnet, dass sie die Druckerzeugungseinrichtung umgeben. Hierdurch können kurze Leitungen zwischen der Druckerzeugungseinrichtung und den einzelnen Druckbehältern realisiert werden. Ebenso ist es möglich, dass die Druckerzeugungseinrichtung innerhalb eines Druckbehälters angeordnet ist, so dass der Druckbehälter die Druckerzeugungseinrichtung umgibt.
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Die Druckbehälter sind vorzugsweise zylindrisch oder konisch ausgebildet. Auch ist es möglich, innerhalb eines beispielsweise konisch ausgebildeten Gehäuses mehrere Druckbehälter und ggf. auch die Druckerzeugungseinrichtung anzuordnen.
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Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der Druckraum der Druckerzeugungseinrichtung mit einer Gaszuführleitung verbunden, in der ein Ventil angeordnet ist. Hierdurch ist es möglich, den Druckbehälter durch eine Vielzahl von Hüben des Druckkolbens zu befüllen und den Gasdruck kontinuierlich zu erhöhen. Das Ventil, bei dem es sich vorzugsweise um ein Rückschlagventil handelt, ist derart ausgebildet, dass bei einem Dekompressionshub des Druckkolbens Gas, bei dem es sich vorzugsweise um Stickstoff handelt, in den Druckraum strömt. Bei einem anschließenden Kompressionshub des Druckkolbens ist das Ventil geschlossen, so dass das Gas aus dem Druckraum in den Druckbehälter oder auch einen Zwischenspeicher strömt. Vorzugsweise ist die Gaszuführleitung mit einem Behälter, in dem insbesondere der zu fördernde Stickstoff angeordnet ist, verbunden.
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Bei sehr großen Druckspeichern, die sich insbesondere über eine große Länge erstrecken, können innerhalb des Druckspeichers in Längsrichtung mehrere Druckerzeugungseinrichtungen vorgesehen sein.
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Anstelle der in bevorzugter Ausführungsform vorgesehenen hydraulisch arbeitenden Druckerzeugungseinrichtung kann die Druckerzeugungseinrichtung auch derart aufgebaut sein, dass mit Hilfe eines in einem Zylinder bewegten Kolbens ein Gas, insbesondere ein Gasgemisch wie Luft in den Druckspeicher gepumpt wird. Dies erfolgt wiederum vorzugsweise unter Zwischenschaltung eines entsprechenden Ventils. In dieser Ausführungsform ist es besonders bevorzugt, die Druckerzeugungseinrichtung innerhalb eines Druckspeichers anzuordnen, so dass auch die bei der Kompression entstehende Wärme nicht an die Umgebung, sondern an das komprimierte Gas abgegeben wird. Hierdurch verringern sich die Wärmeverluste durch die Kompression.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Druck-Speichereinrichtung ist die vorstehend beschriebene Druckerzeugungseinrichtung mit mindestens einem Druckbehälter kombiniert, wobei der Druckbehälter entsprechend dem vorstehend beschriebenen doppel- bzw. mehrwandigen Druckbehälter aufgebaut ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische, geschnittene Prinzipskizze eines doppelwandigen Druckbehälters,
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2 eine schematische, perspektivische, geschnittene Ansicht einer Druck-Speichereinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform,
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3 eine schematische, perspektivische, geschnittene Ansicht einer Druck-Speichereinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform,
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4 eine schematische Schnittansicht einer Druck-Speichereinrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform,
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5 eine schematische Schnittansicht einer Druck-Speichereinrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform, und
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6–8 unterschiedlich schematisch dargestellte Ausführungsformen ineinander angeordneter Druckspeicher.
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Ein erfindungsgemäß als doppelwandiger Druckbehälter 10 ausgebildeter Behälter zur Speicherung komprimierter Gase weist eine Außenwand 12 sowie eine Innenwand 14 auf. Die Innenwand 14 ist aus gasdichtem Material hergestellt oder beispielsweise auf ihrer Innenseite 16 mit einem gasdichten Material beschichtet. Durch die Innenwand 14 ist somit ein Druckraum 18 ausgebildet, dem eine komprimiertes Gas über einen nicht dargestellten Einlass zugeführt werden kann.
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Zur Aussteifung des insbesondere säulenförmig ausgebildeten Druckbehälters 10 ist zwischen der Innenwand 14 und der Außenwand 16 ein mit einem aushärtbaren und/oder abbindbaren Material befüllter Hohlraum 20 ausgebildet. Zwischen den beiden Wänden 12, 14 ist somit eine Bindemittelschicht vorgesehen. Die Bindemittelschicht 20 weist beispielsweise Zement und/oder Beton auf.
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Die Außenwand 12, die nicht gasdicht ausgebildet sein muss, ist vorzugsweise aus einem Metallblech, Glas oder dergleichen hergestellt. Ferner kann es sich bei der Außenwand um Erdmassiv, eine Gebäudewand, die Säule eines Windrades oder dergleichen handeln.
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Zwischen den beiden Wänden 12, 14 können Versteifungsstreben wie Armierungseisen und dergleichen vorgesehen sein.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Druckbehälter zwischen der Außenwand 12 und der Innenwand 14 beispielsweise mehrere ringförmige Rohrelemente 13 auf. Die ringförmigen Rohrelemente 13, die beispielsweise auch als spiralförmiges Rohrelement ausgebildet sein können, sind vorzugsweise aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt. Es ist somit möglich, die Rohrelemente in der Fabrik vorzufertigen und diese auf einfache Weise, da es sich um leichte Bauteile handelt, zum Einsatzort zu bringen. Am Einsatzort erfolgt sodann beispielsweise ein Verbinden der Rohrelemente 13 mit der vorzugsweise ebenfalls aus einem Kunststoffmaterial hergestellten Innenwand 14 und/oder der Außenwand 12. Vor oder nach dem Verbinden der Rohrelemente 13 werden die Rohrelemente 13 sowie die Zwischenräume 15 zwischen den Rohrelementen 13 und den Wänden 12, 14 mit Bindemittel wie Beton oder dergleichen verfüllt.
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Den Rohrelementen 13 in ihrem technischen Aufbau entsprechende Rohrelemente 17, bei denen es sich beispielsweise um konzentrische ringförmig ausgebildete Rohrelemente handelt, sind bei einem zylindrischen Druckbehälter 10 zur Stabilisierung auch in dem Zylinderboden sowie in dem Zylinderdeckel vorgesehen.
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Ferner ist es möglich auch andere geometrisch geformte Druckbehälter wie beispielsweise kugelförmige Druckbehälter herzustellen. Dies ist insbesondere durch das vorstehend beschriebene Vorsehen von Rohrelementen zwischen der Innenwand und der Außenwand möglich.
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Insbesondere bei einer zylindrischen Ausgestaltung des Druckbehälters ist dieser aus mehreren rohrförmigen Elementen zusammengesetzt. Die Verbindung zweier benachbarter rohrförmiger Elemente, insbesondere entlang der kreisförmigen Verbindungslinie kann hierbei durch Verschweißen, Verkleben und/oder Verschrauben erfolgen.
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Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform einer Druck-Speichereinrichtung (2) ist eine Druckerzeugungseinrichtung 22 mit einem Druckbehälter 10 über eine Zuführleitung 24 verbunden. Hierbei ist der Druckbehälter 10 wie anhand 1 erläutert als doppelwandiger Druckbehälter ausgebildet. Auch die Druckerzeugungseinrichtung weist einen vorzugsweise doppelwandigen Zylinder 24 auf, der ebenfalls entsprechend dem Druckbehälter aufgebaut ist und somit eine Innenwand und eine Außenwand aufweist, zwischen denen eine Bindemittelschicht angeordnet ist. Innerhalb des Zylinders 24 ist ein Druckkolben 26 angeordnet. Durch den Druckkolben 26 ist der Innenraum des Zylinders 24 in einen Hydraulikraum 28 sowie einen Druckraum 30 unterteilt.
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Zum Komprimieren des in dem Druckraum 30 sowie in dem Druckbehälter 10 angeordneten Gases wird dem Hydraulikraum 28 über eine Zuführöffnung 32 beispielsweise mit Hilfe einer nicht dargestellten Pumpe ein Hydraulikfluid zugeführt. Hierdurch erfolgt ein Bewegen des Druckkolbens in 2 nach oben.
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Um mit Hilfe des in dem Druckbehälter 10 gespeicherten Gases Energie umzuwandeln, wird der Druckbehälter 10 über eine nicht dargestellte Leitung beispielsweise mit einer Turbine verbunden, wobei die Turbine sodann mit einem Generator zur Stromerzeugung verbunden sein kann. Insbesondere kann die Energieumwandlung auch durch Umkehrung der Funktion der Druckerzeugungseinrichtung erfolgen.
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Um eine möglichst großvolumige Druckerzeugungseinrichtung 22 zu schaffen, ist diese aus mehreren einzelnen Bauteilen zusammengesetzt, wie in 2 durch die gestrichelte Linie 23 angedeutet. Beispielsweise ist der Zylinder 24 aus zwei Teilen zusammengesetzt, die an einer Trennnaht 23 zusammengefügt sind. Das Zusammenfügen erfolgt hierbei in bevorzugter Ausführungsform durch ein umlaufendes Gewinde, so dass die beiden einzelnen Teile zusammengeschraubt sind. Hierdurch kann über die gesamte Länge des Zylinders 24 ein konstanter Innendurchmesser realisiert werden. Die einzelnen zylindrischen Teile zur Herstellung des Zylinders 24 weisen eine Länge von beispielsweise 10 m auf, so dass insgesamt eine Druckerzeugungseinrichtung 22 mit einer Höhe von 20 m in 2 dargestellt ist.
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Anstelle des Vorsehens eines gesonderten Druckbehälters 10 kann auch der Druckraum 30 selbst zur Speicherung von Gas genutzt werden. Der Druckraum 30 ersetzt herbei den gesonderten Druckbehälter.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung (3) sind ähnlich identische Bauteile mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Diese Ausführungsform weist ebenfalls eine Druckerzeugungseinrichtung 10 auf, die über die Leitung 24 mit mehreren Druckbehältern 10 verbunden ist. Hierzu weist die Leitung 24 mehrere Zweigleitungen 34 auf, in denen ggf. Ventileinrichtungen angeordnet sein können.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die mehreren Druckbehälter 10 in einem Gehäuse 36 angeordnet, das im dargestellten Ausführungsbeispiel konisch ausgebildet ist.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform (4) ist die Druckerzeugungseinrichtung 22 innerhalb des Druckbehälters 10 angeordnet. Die Druckerzeugungseinrichtung 22 ist entsprechend der insbesondere anhand 2 beschriebenen Druckerzeugungseinrichtung aufgebaut. Der Druckraum 30 der Druckerzeugungseinrichtung 22 ist über eine Gaszuführleitung 40 mit einem nicht dargestellten Behälter, in dem insbesondere Stickstoff gespeichert ist, verbunden. In der Gaszuführleitung ist ein insbesondere als Rückschlagventil ausgebildetes Ventil 42 angeordnet. Ferner ist der Druckraum 30 über ein weiteres, vorzugsweise ebenfalls als Rückschlagventil ausgebildetes Ventil 44 mit einem Druckgasraum 46 des Druckbehälters 10 verbunden.
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Der Hydraulikraum 28 ist über eine Leitung 52 zur Zufuhr von Hydrauliköl mit einem nicht dargestellten Ölreservoir verbunden, das ein verglichen mit dem Stickstoffreservoir kleines Volumen aufweisen kann.
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Über eine nicht dargestellte Pumpe wird Hydraulikfluid durch die Leitung 52 aus dem Hydraulikreservoir in den Hydraulikraum 28 gepumpt. Hierdurch verschiebt sich der Druckkolben 26 in 4 nach oben, so dass das zu fördernde Gas aus dem Druckraum 30 in den Druckgasraum 46 durch das Ventil 44 hindurch gefördert wird.
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Im nächsten Schritt erfolgt ein Dekompressionshub, bei dem der Druckkolben 26 in 4 wieder nach unten bewegt wird. Hierdurch wird Gas durch das Rückschlagventil 42 und die Gaszuführleitung 40 in den Druckraum 30 eingeleitet. Durch den nächsten Kompressionshub, bei dem der Druckkolben 26 in 4 wieder nach oben bewegt wird, erfolgt ein automatisches Schließen des Rückschlagventils 42 und ein Öffnen des in umgekehrte Richtung offenen Rückschlagventils 44, so dass das Gas, insbesondere der Stickstoff, aus dem Druckraum 30 wieder in den Druckgasraum 46 gefördert wird. Hierdurch erfolgt eine weitere Erhöhung des Drucks in dem Druckbehälter.
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Zur Energiegewinnung, insbesondere zur Stromerzeugung, erfolgt in bevorzugter Ausführungsform ein Umkehren des Kompressionsvorgangs. Durch eine entsprechendes Umschalten der Strömungsrichtung in dem Ventil 44 strömt insbesondere komprimierter Stickstoff aus dem Druckgasraum 46 in den Druckraum 30. Durch diese Gasexpansion wird der Druckkolben 26 nach unten bewegt. Hierdurch ist es möglich, beispielsweise eine Turbine zur Stromerzeugung mit Hilfe des Fluids zu betreiben.
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Anstelle des Komprimierens von Stickstoff ist auch die Komprimierung anderer Gase bzw. Gasgemische, insbesondere von Luft möglich. Bei der Kompression von Luft ist die in 4 dargestellte Anordnung der Druckerzeugungseinrichtung 22 innerhalb des Druckbehälters 10 besonders bevorzugt, da hierdurch die bei der Kompression erzeugte Wärme im Wesentlichen an die komprimierte Luft abgegeben wird.
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Anstelle des Vorsehens eines Hydraulikraums 28 kann der Druckkolben 26 auch über eine Stößelstange bewegt werden. Der Hydraulikraum 28 entfällt hierbei. Die entsprechende Stößelstange ist mit einer Antriebseinrichtung wie einem Motor verbunden.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Druck-Speichereinrichtung (5) ist als Druckerzeugungseinrichtung innerhalb des Druckbehälters 10 Flüssigkeit 72, wie Wasser, vorgesehen. Durch Zuführen von Wasser oder einer anderen Flüssigkeit in den Druckbehälter 10 wird das in dem Bereich 74 des Druckbehälters vorhandene Gas komprimiert. Die Zufuhr von Wasser erfolgt mit Hilfe einer Pumpeinrichtung 76, von der Wasser aus einem Flüssigkeitsreservoir 78 über Leitungen 80, 82 in den Druckbehälter gepumpt wird.
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In besonders bevorzugter Ausführungsform erfolgt die Stromerzeugung durch reversiblen Betrieb der Pumpe 76. Hierbei kann die Pumpe 76 insbesondere mechanisch mit einem Generator verbunden sein.
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Anhand der 6 bis 8 sind unterschiedliche Anordnungsmöglichkeiten von Druckbehältern schematisch dargestellt, wobei die einzelnen durch Kreise dargestellten Druckbehälter entsprechend den Druckbehältern 10 wie vorstehend beschrieben, aufgebaut sind.
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Innerhalb eines Haupt-Druckbehälters 54 sind in 6 drei Neben-Druckbehälter 56 angeordnet. Da für die erforderliche Druckstabilität der Wände der Druckbehälter die Druckdifferenz zwischen Außen- und Innenseite des Behälters relevant ist, ist es insbesondere zur Kosteneinsparung möglich, in dem Haupt-Druckbehälter 54 Gas mit einem Druck von beispielsweise 200 bar und in den innerhalb angeordneten Neben-Druckbehältern Gas mit einem höheren Druck von 300 bar oder 400 bar anzuordnen. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die Wände der Neben-Druckbehälter 56 nur derart ausgelegt werden müssen, dass sie einem relativ geringen Druckunterschied von beispielsweise 200 bar standhalten müssen.
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In einer weiteren in 7 dargestellten Ausführungsform sind innerhalb des Haupt-Druckbehälters 54 zwei Neben-Druckbehälter 58, 60 angeordnet. Die Behälter 54, 58, 60 sind zueinander konzentrisch angeordnet. Hierbei kann der Druck innerhalb der einzelnen Behälter von außen nach innen zunehmen, so dass beispielsweise der Haupt-Druckbehälter einen Druck von 200 bar, der weiter innenliegende Behälter 58 einen Druck von 300 bar und der innere Behälter 60 einen Druck von 400 bar aufweist.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung ineinander angeordneter Druckbehälter (8) ist innerhalb eines Haupt-Druckbehälters 54 ein Neben-Druckbehälter 60 konzentrisch angeordnet. In dem zwischen den beiden Behältern 54, 60 vorgesehene ringförmige Spalt ist eine Vielzahl einzelner Neben-Druckbehälter 70 angeordnet. In den Behältern 70 kann beispielsweise ein Druck von 300 bar herrschen, wobei in dem Behälter 54 ein Druck von 200 bar und in dem inneren Behälter 60 der höchste Druck von beispielsweise 400 bar herrscht. Die Wandstärke der einzelnen Behälter ist hierbei wiederum vom Druckunterschied abhängig. Dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel kann der innere den vorzugsweise höchsten Druck aufweisende Behälter 60 trotz des sehr hohen Drucks großvolumig ausgebildet sein. Beispielsweise ist es auch möglich, die einzelnen Neben-Druckbehälter 70, beispielsweise über eine ringförmige Wand miteinander zu verbinden, um die Stabilität weiter zu erhöhen Wenn in dem Behälter 54, beispielsweise ein Druck von 200 bar und in dem Behälter 70 ein Druck von 300 bar herrscht, können die Wände der Behälter 70 verhältnismäßig dünn ausgestaltet werden, da der Druckunterschied hier nur 100 bar beträgt.
