DE102011106576A1 - Druck-Speichereinrichtung - Google Patents

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Abstract

Eine Druck-Speichereinrichtung für komprimierte Gase weist mindestens einen Druckbehälter (10) zum Speichern des komprimierten Gases auf. Ferner ist eine Druckerzeugungseinrichtung (22) mit einem in einem Zylinder (24) angeordneten Druckkolben (26) vorgesehen. Durch den Druckkolben (26) ist der Zylinderraum in einen Hydraulikraum (28) und einen Druckraum (30) unterteilt. Sowohl der Druckbehälter (10) als auch der Zylinder (24) der Druckerzeugungseinrichtung (22) sind in bevorzugter Ausführungsform als doppelwandige Behälter ausgebildet. Der doppelwandige Behälter weist eine Außenwand (12) sowie eine Innenwand (14) auf, zwischen denen eine Bindemittelschicht (20) vorgesehen ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Druck-Speichereinrichtung für komprimierbare Gase.
  • Zur Energiespeicherung ist es möglich, Gase 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.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Druckspeicher für komprimierte Gase zu schaffen, mit dem auch große Mengen an komprimiertem Gas gespeichert werden können.
  • Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch eine Druckspeichereinrichtung gemäß Anspruch 1 oder 5.
  • 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. 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Innenwand aus einzelnen rohrförmigen Elementen zusammengesetzt. Diese sind an den insbesondere ringförmigen Verbindungsstellen beispielsweise durch Verschweißen, Verkleben (Stahlbeton) 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.
  • 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 möglichst große Energiemenge pro Volumeneinheit zu speichern.
  • 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. Die in dem mindestens einem 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 Antreiben einer mit einem Generator verbundenen Turbine oder dergleichen genutzt wird. 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.
  • Der Zylinder der Druckerzeugungseinrichtung ist in besonders bevorzugter Ausführungsform entsprechend dem doppel- bzw. mehrwandigen Druckbehälter aufgebaut. Zur Herstellung großvolumiger langer Zylinder ist es hierbei bevorzugt, 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.
  • Bei einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Druck-Speichereinrichtung sind mehrere Druckbehälter vorgesehen, die mit einer einzigen Druckerzeugungseinrichtung befüllt werden. Hierbei ist es bevorzugt, dass die Verbindung zwischen der Druckerzeugungseinrichtung 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematische, geschnittene Prinzipskizze eines doppelwandigen Druckbehälters,
  • 2 eine schematische, perspektivische, geschnittene Ansicht einer Druck-Speichereinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform, und
  • 3 eine schematische, perspektivische, geschnittene Ansicht einer Druck-Speichereinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform.
  • 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.
  • 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.
  • Die Außenwand 12, die nicht gasdicht ausgebildet sein muss, ist vorzugsweise aus einem Metallblech, Glas oder dergleichen hergestellt.
  • Zwischen den beiden Wänden 12, 14 können Armierungseisen, Versteifungsstreben und dergleichen vorgesehen sein.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Anstelle des Vorsehens eines gesonderten Druckbehälters 10 kann auch der Druckraum 30 selbst zur Speicherung von Gas genutzt werden. Der Druckraum 30 ersetzt hierbei den gesonderten Druckbehälter.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung (3) sind ähnlich identische Bauteile mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • 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.
  • Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die mehreren Druckbehälter 10 in einem Gehäuse 36 angeordnet, das im dargestellten Ausführungsbeispiel konisch ausgebildet ist.

Claims (9)

  1. Druck-Speichereinrichtung für komprimierte Gase, mit einem doppelwandigen Druckbehälter (10) mit einer Innenwand (14) aus gasdichtem Material und einer Außenwand (12), wobei zur Aussteifung zwischen der Innenwand (14) und der Außenwand (12) eine Bindemittelschicht (20) vorgesehen ist.
  2. Druck-Speichereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwand (14) und/oder die Außenwand (12) aus Blech, insbesondere Metallblech oder Glas hergestellt ist.
  3. Druck-Speichereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bindemittelschicht (20) aushärtbares und/oder abbindendes Material aufweist.
  4. Druck-Speichereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Druck-Speichereinrichtung zur Aufnahme von komprimiertem Gas mit einem Druck von mehr als 200 bar, insbesondere mehr als 400 bar geeignet ist.
  5. Druck-Speichereinrichtung für komprimiertes Gas mit mindestens einem Druckbehälter (10) zum Speichern des komprimierten Gases, einer Druckerzeugungseinrichtung (22) mit einem in einem Zylinder (24) angeordneten Druckkolben (26), der zwischen einem Hydraulikraum (28) und einem Druckraum (30) angeordnet ist, wobei der Druckraum (30) durch Zufuhr von Hydraulikfluid zum Hydraulikraum (28) zur Druckerzeugung im Druckraum (30) bewegbar ist, und der Druckraum (30) mit dem mindestens einen Druckbehälter (10) verbunden ist.
  6. Druck-Speichereinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Druckbehälter (10) mit einer einzigen Druckerzeugungseinrichtung (22) insbesondere über eine verzweigte Leitung (24, 34) verbunden sind.
  7. Druck-Speichereinrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine in der Leitung (24, 34) angeordnete Ventileinrichtung, die insbesondere zum nacheinander Befüllen der Druckbehälter (10) steuerbar ist.
  8. Druck-Speichereinrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Druckbehälter (10) die Druckerzeugungseinrichtung (22) umgeben und/oder die Druckerzeugungseinrichtung (22) innerhalb eines Druckbehälters (10) angeordnet ist.
  9. Druck-Speichereinrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Druckbehälter (10) gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4 aufgebaut ist.
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