DE102011106203A1 - Underwater energy storage based on gravity utilizing cavities in bulk material - Google Patents

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Abstract

Bereitgestellt wird ein Tankspeicherkraftwerk (100) mit einem in einem Flüssigkeitsreservoir angeordneten Behälter (4), mit einem Entlüftungsrohr (3), dessen eines Ende mit dem Behälter (4) verbunden ist und dessen anderes Ende über die Flüssigkeitsoberfläche des Flüssigkeitsreservoirs hinausragt, wenn dieses maximal befüllt ist, und mit einem Verbindungsrohr (7), dass das Innere des Behälters (4) mit einer Pumpe (6) verbindet, so dass Flüssigkeit aus dem Inneren des Behälters (4) hinausgepumpt werden kann und, wenn sie durch das Verbindungsrohr (7) wieder in den Behälter (4) einströmt, über eine Turbine einen Generator antreiben kann, wobei das Innere des Behälters (4) mit einem Schüttmaterial (13) gefüllt ist, so dass Flüssigkeit im Behälter (4) in Zwischenräumen zwischen Schüttmaterialteilchen lagerbar ist, wobei die Dichte des Schüttmaterials (13) größer ist als die Dichte der Flüssigkeit und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Tankspeicherkraftwerks.A tank storage power plant (100) is provided with a container (4) arranged in a liquid reservoir, with a vent pipe (3), one end of which is connected to the container (4) and the other end of which protrudes beyond the liquid surface of the liquid reservoir when this is at maximum is filled, and with a connecting pipe (7) that connects the interior of the container (4) with a pump (6), so that liquid can be pumped out of the interior of the container (4) and, if it is through the connecting tube (7 ) flows back into the container (4), can drive a generator via a turbine, the interior of the container (4) being filled with a bulk material (13) so that liquid in the container (4) can be stored in spaces between bulk material particles, wherein the density of the bulk material (13) is greater than the density of the liquid and a method for producing such a tank storage power plant.

Description

Energiespeicher auf Basis von Lageenergie durch Auspumpen eines unter Wasser liegenden geschlossenen KieshaufensEnergy storage on the basis of potential energy by pumping out a closed gravel pit lying under water

Es ist bekannt, dass für das Auspumpen eines unter Wasser liegenden Tanks Energie benötigt wird und durch Wiedereinfüllen von Wasser Energie in elektrischen Strom zurückgewandelt werden kann. (Quelle: http://www.hubspeicher.de/hubspeicherkraftwerke.htm )It is known that energy is required for pumping out a submerged tank and energy can be converted back into electricity by recharging water. (Source: http://www.hubspeicher.de/hubspeicherkraftwerke.htm )

Die beschriebene Konstruktion optimiert diese Speichertechnik mit kostengünstigen Materialien so weit, dass eine ökonomische Nutzung des Konzepts möglich ist.The construction described optimizes this storage technology with low-cost materials so far that an economic use of the concept is possible.

Die Konstruktion besteht aus einem Behälter (4) der am Meeres oder Seegrund (1) auf einer Sandschicht (11) liegt. Dieser Behälter (4) hat ein Verbindungsrohr (3) zur Wasseroberfläche (2). Dieses Verbindungsrohr ist wasserdicht an den Behälter (4) angeflanscht. Aus dem Behälter (4) geht ein weiteres Rohr (7) zu einer Pumpe (6), die über eine Stromleitung (10) mit einer Stromquelle, beispielsweise einer Windturbine oder einem Wellenkraftwerk, verbunden ist. Die Pumpe kann das Wasser aus dem Behälter (4) in den flexiblen Behälter (5) umpumpen. Der Behälter (4) ist vollständig mit einem Schüttmaterial (13), etwa Kies, Muschelschalen oder ähnlichem gefüllt. Unterhalb des Schüttmaterials kann aus Schutzgründen eine Sandschicht (12) im Behälter liegen.The construction consists of a container ( 4 ) at the sea or lake bottom ( 1 ) on a sand layer ( 11 ) lies. This container ( 4 ) has a connecting tube ( 3 ) to the water surface ( 2 ). This connecting tube is waterproof to the container ( 4 ) flanged. From the container ( 4 ) goes another pipe ( 7 ) to a pump ( 6 ), which are connected via a power line ( 10 ) is connected to a power source, such as a wind turbine or a wave power plant. The pump can remove the water from the container ( 4 ) in the flexible container ( 5 ) pump. The container ( 4 ) is completely filled with a bulk material ( 13 ), such as gravel, mussel shells or the like filled. For reasons of safety, a sand layer (below the bulk material) can be used ( 12 ) are in the container.

Pumpt die Pumpe (6) Wasser aus dem Behälter (4), so strömt durch das Rohr (3) Luft in den Behälter nach. Der Pumpvorgang kann beendet werden, wenn die Stromquelle (9) keinen weiteren Strom liefert. Der Pumpvorgang muss beendet werden, wenn das gesamte Wasser aus dem Behälter (4) abgepumpt ist.Pumps the pump ( 6 ) Water from the container ( 4 ), so flows through the pipe ( 3 ) Move the air into the container. The pumping process can be stopped when the power source ( 9 ) provides no further power. The pumping process must be stopped when all the water in the tank ( 4 ) is pumped out.

Wenn Strombedarf auftritt, kann das Wasser aus Behälter (5) über das Rohr (7b) eine Turbine (6) und das Rohr (7) wieder in den Behälter (4) zurückströmen. Dabei entweicht die Luft aus den Zwischenräumen im Schüttmaterial (13) über das Rohr (3) an die Atmosphäre. Durch Leistung der Turbine kann ein Generator in (6) Strom erzeugen und die gespeicherte potentielle Energie an das Netz (10) abgeben.When electricity is needed, the water from containers ( 5 ) over the pipe ( 7b ) a turbine ( 6 ) and the pipe ( 7 ) back into the container ( 4 ) flow back. The air escapes from the spaces in the bulk material ( 13 ) over the pipe ( 3 ) to the atmosphere. By powering the turbine, a generator in ( 6 ) Generating electricity and the stored potential energy to the grid ( 10 ) submit.

Bei der Konstruktion des Systems wird zuerst eine geeignete möglichst ebene Fläche auf dem Meeresgrund ausgewählt. Diese Fläche kann mit Sand (11) bedeckt werden, damit keine spitzen Felsen oder andere Gegenstände aus dem Boden herausragen. Auf dieser Fläche wird eine wasserdichte und hinreichend reißfeste Plane (20) ausgelegt. Auf diese Plane wird im mittleren Bereich wiederum Sand (12) aufgebracht, damit die Plane gut vor spitzen Steinen geschützt ist. Auf den Sand wird ein Entwässerungsrohr (7c) ausgelegt. Im Nächstem Arbeitsschritt wird Kies (13), mit einem festem mittlerem Radius der Steine, auf das Sandbett und das Entwässerungsrohr geschüttet.When designing the system, a suitable flat surface on the seabed is selected first. This area can be sanded ( 11 ) so that no sharp rocks or other objects stick out of the ground. On this surface is a waterproof and sufficiently tear-resistant tarpaulin ( 20 ) designed. Sand (in the middle area) is again 12 ) so that the tarpaulin is well protected against sharp stones. On the sand is a drainage pipe ( 7c ) designed. In the next step gravel ( 13 ), with a firm medium radius of stones, poured on the sand bed and the drainage pipe.

Danach wird die Plane über die Schlaufen (21) mit Seilen hochgezogen und über dem Kies ausgebreitet, so dass der Kies vollständig von der Plane bedeckt ist. Dabei wird das Entwässerungsrohr (7c) an die Durchführung (22) angeschlossen und direkt mit dem Rohr (7) verbunden. An die Durchführung (23) wird das Entlüftungsrohr (3) angeschlossen. Die jetzt überlappende Folie wird mit einem Klebstoff verbunden und oder vernäht.Then the tarpaulin over the loops ( 21 ) are pulled up with ropes and spread over the gravel so that the gravel is completely covered by the tarpaulin. The drainage pipe ( 7c ) to the implementation ( 22 ) and connected directly to the pipe ( 7 ) connected. To the implementation ( 23 ), the vent pipe ( 3 ) connected. The now overlapping foil is connected with an adhesive and or sewn.

Danach liegt ein mit der Plane (20) verschlossenes Volumen vor, das den Behälter (4) darstellt. Dieser Behälter hat nur über das Verbindungsrohr (3) Kontakt zur Atmosphäre und über das Verbindungsrohr (7) Kontakt zur Pumpe. Zusätzliche Durchführungen für Sensoren sind nicht dargestellt, jedoch möglich.After that lies with the tarp ( 20 ) closed volume, the container ( 4 ). This container has only the connecting pipe ( 3 ) Contact with the atmosphere and via the connecting pipe ( 7 ) Contact to the pump. Additional feedthroughs for sensors are not shown, but possible.

Abschließend kann über die Plane noch eine Sandschicht als Schutz vor Verletzungen der Plane aufgeschüttet werden.Finally, a layer of sand can be poured over the tarpaulin as protection against injury to the tarpaulin.

Der Behälter (5) ist ebenfalls aus einer festen Plane hergestellt. Er kann an Land gefertigt werden und wird im Wasser versenkt. Er dient zur Aufnahme des Wassers beim Leerpumpen von Behälter (4). Der Behälter (5) kann auch entfallen, da er nur zur Reinhaltung der Anlage dient. Es soll vermieden werden, dass Lebewesen oder Schwebstoffe aus dem Wasser in den Behälter (4) gelangen, da dieser sonst sein Arbeitsvolumen längerfristig verliert.The container ( 5 ) is also made of a solid tarpaulin. It can be made ashore and sunk in the water. It is used to hold the water during emptying of containers ( 4 ). The container ( 5 ) can also be omitted, since it only serves to keep the plant clean. It should be avoided that living things or suspended matter from the water in the container ( 4 ), otherwise it will lose its working volume in the longer term.

Es folgt eine Abschätzung der Leistungsfähigkeit des Systems. Befindet sich der Behälter (4) in einer Tiefe von 1000 m und ist mit zwei Million Kubikmeter Schotter gefüllt, so befindet sich zwischen den Schottersteinen eine Million Kubikmeter Wasser. Wird dieses Wasser herausgepumpt, ist dazu eine Arbeit von E = m·g·h nötig. Mithin
E = 1.000.000.000 kg·9,81 N/kg·1000 m
E = 9.810.000.000.000 J
E ~ 10·E12J
E ~ 2,7 GWh = 2.700.000 kWhAn estimation of the performance of the system follows. Is the container ( 4 ) at a depth of 1000 m and is filled with two million cubic meters of gravel, so there is a million cubic meters of water between the ballast stones. If this water is pumped out, a work of E = m · g · h is necessary. therefore
E = 1,000,000,000 kg · 9,81 N / kg · 1000 m
E = 9,810,000,000,000 y
E ~ 10 · E12J
E ~ 2.7 GWh = 2,700,000 kWh

Das Speicherkraftwerk kann somit 2,7 GWh Strom speichern. Dies entspricht der Energie von einem Windkraftwerkpark mit 22 Windkraftwerken mit jeweils 5 MW, die einen Tag laufen. Die Baukosten sind proportional zur Menge des Schotters. Die Plane an der Oberfläche des Behälters geht genähert mit der zweiten Potenz des Systemradius ein und ist daher gegenüber der Schottermenge, die in dritter Potenz mit dem Systemradius wächst, bei großen Systemen zu vernachlässigen. Bei einem Schotterpreis von 5 € pro Tonne, entstehen Baukosten von weniger als 5 € pro kWh, was um mehrere Größenordnungen unterhalb von Akkumulatoren liegt.The storage power plant can thus store 2.7 GWh of electricity. This equates to the energy of a wind farm park with 22 5 MW wind turbines running one day. The construction costs are proportional to the amount of gravel. The tarpaulin on the surface of the container approaches at the second power of the system radius and is therefore negligible in large systems over the amount of ballast that grows in third power with the system radius. At a gravel price from 5 € per ton, construction costs of less than 5 € per kWh, which is several orders of magnitude lower than accumulators.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • http://www.hubspeicher.de/hubspeicherkraftwerke.htm [0001] http://www.hubspeicher.de/hubspeicherkraftwerke.htm [0001]

Claims (14)

Anlage zur Speicherung von Lageenergie durch Leerpumpen und Befüllen eines Unterwasservolumens mit Wasser, das aus Schotterzwischenräumen in einer Plane besteht.Plant for storage of storage energy by emptying and filling an underwater volume with water, which consists of ballast spaces in a tarpaulin. Anlage nach Anspruch 1, bei der eine Plane auf dem Meeresboden ausgebracht wird, die über Frachtschiffe mit Schotter belegt wird.Installation according to claim 1, in which a tarpaulin is laid out on the seabed, which is filled with gravel via cargo ships. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, statt Schotter ein anderes Schüttmaterial mit vielen Zwischenräumen verwendet wird, das eine Schüttdichte größer 1000 kg/m3 hat.Installation according to claim 1, characterized in that instead of gravel another bulk material with many spaces is used, which has a bulk density greater than 1000 kg / m 3 . Anlage nach Anspruch 1, bei der das ausgepumpte Wasser in einen Balon aus Plane umgepumpt wird.Plant according to claim 1, wherein the pumped out water is pumped into a balcony of tarpaulin. Anlage nach Anspruch 1, bei der unter der Plane Sand aufgespült wird.Plant according to claim 1, wherein sand is flushed under the tarpaulin. Anlage nach Anspruch 1, bei der auf die Plane zusätzlich eine dünne Sandschicht aufgebracht wird.Plant according to claim 1, in which a thin layer of sand is additionally applied to the tarpaulin. Anlage nach Anspruch 1, bei der die Pumpe sowie Generator und Turbine an der Oberfläche des Wassers auf einem Schiff schwimmen.Plant according to claim 1, in which the pump and generator and turbine float on the surface of the water on a ship. Anlage nach Anspruch 1, bei der das zufließende Wasser durch einen Filter gereinigt wird.Plant according to claim 1, wherein the incoming water is purified by a filter. Anlage nach Anspruch 1, bei der im Schotter ein senkrecht stehendes Rohr zur Füllstandmessung eingebaut ist.Installation according to claim 1, in which a perpendicular pipe is installed in the ballast for level measurement. Anlage nach Anspruch 1, bei der am Boden des Schotterbetts mehrere Entwässerungsrohre eingefügt sind.Installation according to claim 1, in which several drainage pipes are inserted at the bottom of the ballast bed. Anlage nach Anspruch 1, bei der auf dem Schotter zusätzlich ein Gewebe aus Metall oder anderem steifen Material liegt, damit die Plane nicht beschädigt wirdInstallation according to claim 1, in which there is additionally a fabric of metal or other rigid material on the ballast, so that the tarpaulin is not damaged Anlage nach Anspruch 1, bei der anstelle von Planen ein Metallblech verwendet wird.Plant according to claim 1, wherein instead of tarpaulins a metal sheet is used. Anlage nach Anspruch 1, bei der ein Metallbehälter mit Schotter oder ähnlichem Schüttmaterial gefüllt wird.Plant according to claim 1, wherein a metal container is filled with crushed stone or similar bulk material. Anlage nach Anspruch 1, bei der der Schotter in einen vorgefertigten Sack aus Plane gefüllt wird.Plant according to claim 1, wherein the ballast is filled into a prefabricated sack of tarpaulin.
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