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Die Erfindung betrifft ein Speicherkraftwerk mit mehreren miteinander kommunizierenden Speichervolumina, die auf unterschiedlichen Niveaus angeordnet sind.
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Solche Kraftwerke sind beispielsweise als Pumpspeicherkraftwerke bekannt.
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In Pumpspeicherkraftwerken wird zu Schwachlastzeiten aus einem Speicherbecken oder aus einem Fließgewässer Wasser in ein Speicherbecken auf einem höheren geodätischen Niveau gepumpt, zu Spitzenlastzeiten im Netz wird dieses Wasser über Fallrohre Turbinen zugeführt, die den so erzeugten Strom ins Netz einspeisen.
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Mit einem zunehmenden Anteil von Strom aus Windkraft und Solarkraft ergibt sich ein zunehmendes Bedürfnis der Speicherung von elektrischer Energie, da der aus solchen Energiequellen zur Verfügung stehende Strom verhältnismäßig volatil ist.
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Pumpspeicherkraftwerke sind zwar durchaus geeignet, größere Energiemengen zu speichern und bedarfsweise abrufbar bereitzustellen, diese sind allerdings mit dem Nachteil behaftet, dass deren Errichtung entsprechende topographische Bedingungen beziehungsweise Gegebenheiten fordert, die nicht in allen geographischen Breiten gegeben sind und teilweise auch bereits weitestgehend ausgenutzt sind. Darüber hinaus werden bezogen auf die speicherbare Energiemenge verhältnismäßig große Speichervolumina benötigt.
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Weitere bekannte Verfahren zur Speicherung von Energie aus regenerativen Energiequellen sind beispielsweise die elektrolytische Erzeugung von Wasserstoff oder die Verdichtung und Einspeicherung von Druckluft. Diese Formen der Energiespeicherung sind mit einem verhältnismäßig schlechten Wirkungsgrad behaftet.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Speicherkraftwerk eigener Art bereitzustellen, welches bezogen auf sein Volumen eine verhältnismäßig hohe Energiemenge speichern kann.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird gelöst durch ein Speicherkraftwerk mit wenigstens einem ersten und einem zweiten Speichervolumen, wobei das erste Speichervolumen zumindest überwiegend auf einem höheren Niveau als das zweite Speichervolumen angeordnet ist, wenigstens eines der Speichervolumina zumindest teilweise mit einer Arbeitsflüssigkeit gefüllt ist und wobei die Speichervolumina über wenigstens eine Ausgleichsleitung miteinander kommunizieren, innerhalb welcher wenigstens eine Pumpe und/oder eine Turbine angeordnet ist, wobei das erste Speichervolumen gasdicht verschlossen und mit einem Arbeitsgas befüllt ist, derart, das dieses unter Verdichtung des Arbeitsgases mit der Arbeitsflüssigkeit befüllbar ist.
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Die Erfindung beruht auf den Konzept einer Kombination eines Druckgasenergiespeichers mit einem hydraulischen Speicher, woraus sich eine erheblich höhere theoretische Speicherfähigkeit gegenüber einem rein hydraulischen Speicher bei gleichem Speichervolumen ergibt. Die aus dem Speicher abrufbare Energiemenge ergibt sich teilweise aus dem Enthalpieanteil im Druckgas und teilweise aus der potentiellen Energie der Wassersäule. Dadurch erfordert das Speicherkraftwerk gemäß der Erfindung verglichen mit einem rein hydraulischen Speicher wie beispielsweise einem Pumpspeicherkraftwerk relativ erheblich weniger Speichervolumen.
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Bei einer bevorzugten Variante des Speicherkraftwerks gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die Speichervolumina untertage angeordnet sind. Damit trägt das erfindungsgemäße Speicherkraftwerk weiterhin dem Problem des gegebenenfalls nicht ausreichend vorhandenen Speichervolumens Rechnung.
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Eine weitere bevorzugte Variante ist die Integration des ersten, geodätisch höher liegenden Speichervolumens in Masten von Windturbinen.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Speichervolumina in Grubenbauen eines Untertage-Bergwerks angeordnet sind.
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Besonders geeignet zur Unterbringung der benötigten Speichervolumina sind beispielsweise ausgekohlte Steinkohlenbergwerke, die Schächte mit Teufen zwischen 600 und 1400 m aufweisen. Bei einer besonders bevorzugten Variante des Speicherkraftwerks gemäß der Erfindung ist das erste Speichervolumen in einem saigeren Grubenbau, vorzugsweise in einem Schacht und das zweite Speichervolumen in einem söhligen Grubenbau, vorzugsweise in einer Strecke vorgesehen. Der Schacht lässt sich mit entsprechenden Einbauten von der Schachtsohle bis zur Rasenhängebank theoretisch vollständig als Speichervolumen nutzen. Daraus ergibt sich beispielsweise bei einer Teufe von 800 m ein geodätischer Höhenunterschied zwischen den Speichervolumina von bis zu 800 m. Die söhligen Grubenbauer auf Niveau der Schachtsohle können beispielsweise als sich etwa söhlig erstrecken Speichervolumina genutzt werden. Hierzu können beispielsweise entsprechende Einbauten in Form von Tanks, Wannen oder Röhren in dem Grubenbau vorgesehen sein.
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Nicht selten erstrecken sich Grubenbaue unterhalb der Endteufe eines Schachts, so dass auch das zweite Speichervolumen vollständig unterhalb des Niveaus des ersten Speichervolumens angeordnet sein kann. Beide Speichervolumina können nach Art der kommunizierenden Röhren über eine Ausgleichsleitung miteinander verbunden sein, die beispielsweise auch an einer übertägig angeordnete Pumpe und/oder übertägig angeordnete Turbine angeschlossen sein kann.
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Eine Pumpe und/oder eine Turbine können beispielsweise in parallelen Strömungswegen der Ausgleichsleitung angeordnet sein und über wenigstens ein Ventil, beispielsweise ein Dreiwege-Ventil wahlweise freischaltbar sein.
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Bei einer günstigen Variante des Speicherkraftwerks gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste Speichervolumen als Röhrenspeicher ausgebildet ist, der entsprechend gasdicht und druckfest ist. Hierzu können in dem Schacht mehrere nebeneinander und/oder übereinander angeordnete röhrenartig ausgebildete Druckbehälter vorgesehen sein, die beispielsweise jeweils an ihren in Einbaulage nach unten weisenden Enden an die Ausgleichsleitung angeschlossen sind. Diese Speichervolumina sind beispielsweise mit einem inerten Druckgas wie beispielsweise Luft oder Stickstoff befüllt. Beim Befüllen des oder der ersten Speichervolumina wird aus dem zweiten Speichervolumen die entsprechende Speicherflüssigkeit, beispielsweise in Form von Wasser, gegen den Druck des Druckgases unter Verdichtung des Druckgases in das erste Speichervolumen hineingefördert, wobei das Druckgas zu einem Druckgaskissen oberhalb der Wassersäule verdichtet wird.
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Um eine quasi adiabatische Energiespeicherung zu erzielen, ist das erste Speichervolumen vorzugsweise mit einer Wärmeisolierung versehen.
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Zum Ausgleich von Wärmeverlusten und/oder zur Erhöhung der thermodynamischen Arbeitsfähigkeit des Druckgases können am Rand des ersten Speichervolumens und/oder zwischen den einzelnen Speicherröhren Heizelemente angeordnet sein. Die Beheizung kann über Gas, Dampf, Flüssigkeit oder elektrisch erfolgen.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Speicherung von elektrischer Energie in Form von potentieller Energie, insbesondere zu Schwachlastzeiten in einem Stromversorgungsnetz. Das Verfahren umfasst die Verwendung mehrerer miteinander kommunizierender Speichervolumina, von welchem ein erstes Speichervolumen zumindest überwiegend auf einem Niveau oberhalb eines zweiten Speichervolumens angeordnet ist, wobei das Verfahren das Pumpen eines flüssigen Arbeitsmediums von dem zweiten Speichervolumen in das erste Speichervolumen unter Verdichtung eines in dem ersten Speichervolumen enthaltenden gasförmigen Arbeitsmediums und das bedarfsweise Betreiben wenigstens einer Turbine zwecks Stromerzeugung mit dem flüssigen Arbeitsmedium aus dem ersten Speichervolumen unter Ausnutzung der Gasentspannung und des geodätischen Höhenunterschieds zwischen den Speichervolumina umfasst.
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Eine bevorzugte Variante des Verfahrens gemäß der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Verdichtung des Arbeitsgases quasi adiabiatisch erfolgt.
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Bevorzugt erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Verwendung von untertägigen Grubenbauen als Speichervolumina.
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Als Arbeitsgas wird vorzugsweise Stickstoff oder Luft verwendet. Vorzugsweise erfolgt die Verdichtung des Arbeitsgases über die in das erste gasdichte Speichervolumen gepumpte Flüssigkeit unmittelbar, wobei das verdichtete Arbeitsgas ein Druckgaspolster über der Flüssigkeit bildet. Als Flüssigkeit kommt beispielsweise Wasser in Betracht.
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Bei dem erfindungsgemäßen vorgesehenen Speicherkraftwerk werden vorzugsweise Einzelrohre oder Rohrbündel mit vertikaler Erstreckung in einem Bergbauschacht oder einem oberirdischen Mast eingesetzt. Diese Einzelrohre oder Rohrbündel bilden ein erstes Speichervolumen. Die vertikale Rohrstrecke wird sowohl an der Schachtsohle als auch am Schachtdeckel druckdicht verschlossen. Der entstehende Hohlraum wird mit Luft, Stickstoff oder einem anderen Arbeitsgas gefüllt. Im Sohlebereich der Rohrstrecke befindet sich ein Wasserzulauf, der über ein Dreiwege-Ventil mit einer Pumpe sowie einer Turbine verbunden ist. Im Interesse einer besseren Zugänglichkeit für die Wartung und Instandhaltung können Pumpe, Turbine und Ventile beziehungsweise weitere benötigte Armaturen übertage installiert sein.
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Beim Betrieb der Turbine dient ein söhliges, das heißt sich etwa horizontal erstreckendes untertägiges Speichervolumen, ebenfalls entweder als Einzelrohr oder Rohrbündel als Sammelbehälter für das durch die Turbine strömende Wasser. Die Pumpe wird im Speicherladebetrieb aus diesem Sammelbehälter, der im Sinne der vorliegenden Erfindung das zweite Speichervolumen bildet, gespeist.
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Das erste Speichervolumen in Form eines Rohrs oder eines Rohrbündels kann beispielsweise mittels Polyurethan als Dämmstoff isoliert sein, so dass eine quasi adiabate Verdichtung des Druckgases innerhalb des ersten Speichervolumens erzielt wird.
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Bei einem angenommenen Rohrquerschnitt von 0,785 m2, einer verfügbaren Teufe von 800 m und einem Auslegungs-Druckverhältnis von 2,5 (80 bar Gasdruck in entladenem Zustand und 200 bar Gasdruck beladen) ergibt sich eine theoretische Speicherfähigkeit von rund 1,2 MWh, die sich zu etwa 85% auf den Enthalpie-Anteil im Druckgas und 15% potentielle Energie der Wassersäule aufteilt. Bei Nutzung eines gleichen Volumens als rein hydraulischer Speicher würde nur ein Speicherpotential von etwa 0,66 MWh erschlossen. Durch die Ergänzung des Druckgasspeichers wird demnach die Speicherkapazität um 85% erhöht.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. In der Zeichnung ist mit 1 ein erstes Speichervolumen bezeichnet, dass sich beispielsweise als Einzelrohr innerhalb eines Bergbauschachtes erstreckt. Rohre oder Rohrbündel eignen sich insbesondere wegen der guten geometrischen Raumausnutzung und wegen der verhältnismäßig geringen benötigen Wandstärke bei hohen Drücken besonders als Druckgasspeicher.
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Das erste Speichervolumen 1 in Form eines Rohres erstreckt sich innerhalb eines Bergbauschachtes von der Schachtsohle bis etwa zur Rasenhängebank über eine Höhe von etwa 800 m. Das erste Speichervolumen 1 ist als druckdichtes Rohr beidseitig verschlossen und an einem in Einbaulage unteren Ende im Bereich der Schachtsohle an eine Ausgleichsleitung 2 angeschlossen, die das erste Speichervolumen 1 mit einem sich etwa söhlig erstreckenden zweiten Speichervolumen 3 in einem söhligen Grubenbau nach Art der kommunizierenden Röhren miteinander verbindet. Die Ausgleichsleitung 2 ist beispielsweise in einem Bogen so verlegt, dass sie von dem ersten Speichervolumen 1 zunächst noch übertage an eine dort vorgesehene Armatur 4 geführt ist. Diese Armatur ist beispielsweise als Dreiwege-Ventil ausgebildet, an die zwei parallele Leitungsstränge 2a und 2b der Ausgleichsleitung 2 angeschlossen sind. In dem Leitungsstrang 2a ist eine Turbine 5 angeordnet, in dem Leitungsstrang 2b eine Pumpe 6. Je nach Schaltstellung der Armatur kann entweder im Speicherladebetrieb Wasser aus dem zweiten Speichervolumen 3 in das erste Speichervolumen 1 gepumpt werden oder im Turbinenbetrieb Wasser aus dem ersten Speichervolumen 1 über die Turbine 5 entnommen und in das zweite Speichervolumen 3 eingespeist werden. Das zweite Speichervolumen 3 wird im Wesentlichen auf dem jeweils geodätisch vorliegenden Druckniveau betrieben und dient als Reservoir beziehungsweise Sammelbehälter für das durch die Turbine 5 strömende Wasser. Die Turbine 5 treibt einen nicht dargestellten Generator zwecks Erzeugung von Strom.
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Das erste Speichervolumen 1 ist mit Luft oder Stickstoff gefüllt beispielsweise mit einem Gasdruck von etwa 80 bar im entladenen Zustand. Darüber hinaus ist das erste Speichervolumen 1 mit einer Wärmedämmung 7 versehen, beispielsweise in Form eines Polyeruthean-Mantels oder dergleichen.
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Im Wärmeaustausch mit dem Speichervolumen 1 können sich nicht dargestellte Heizelemente befinden, die mit Gas, Dampf, einer Flüssigkeit oder elektrisch beheizt sind. Die Beheizung erfolgt zum Ausgleich von Wärmeverlusten oder zur Erhöhung der thermischen Arbeitsfähigkeit vor der Entladung des Speichers.
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Bei einem entsprechenden Stromangebot im Stromversorgungsnetz wird mittels der Pumpe 6 Wasser aus dem zweiten Speichervolumen 3 über die Ausgleichsleitung 2 in das erste Speichervolumen 1 gepumpt, und zwar unter gleichzeitiger weiterer Verdichtung des in dem ersten Speichervolumen enthaltenen Arbeitsgases. Das Arbeitsgas kann beispielsweise von einem Druck von 80 bar im entladenen Zustand bis zu einem Druck von etwa 200 bar im beladenen Zustand verdichtet werden. Zur Spitzenlastzeit wird die Arbeitsflüssigkeit in Form von Wasser aus dem ersten Speichervolumen 1 entnommen. Hierzu wird die Armatur 4 geöffnet, so dass der Weg der Ausgleichsleitung 2 über die Turbine 5 in das zweite Speichervolumen 1 freigegeben ist. Die in dem ersten Speichervolumen 1 enthaltende Wassersäule wird einerseits aufgrund des geodätischen Höhenunterschiedes von ca. 800 m und anderseits aufgrund des verhältnismäßig hohen Gasdrucks in dem ersten Speichervolumen getrieben.
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Das zweite Speichervolumen kann beispielsweise innerhalb eines Grubenbaues angeordnet sein, der sich söhlig in etwa in der Endteufe des Bergwerks erstreckt.
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Diese Endteufe kann sich auf dem Niveau der Schachtsohle oder unterhalb des Niveaus der Schachtsohle befinden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erstes Speichervolumen
- 2
- Ausgleichsleitung
- 2a, 2b
- Leitungsstränge der Ausgleichsleitung
- 3
- zweites Speichervolumen
- 4
- Armatur
- 5
- Turbine
- 6
- Pumpe
- 7
- Isolierung
