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Die vorliegende Erfindung betrifft generell die Energiespeicherung und betrifft insbesondere dezentrale Energiespeicher für den Ausgleich von Energieschwankungen in einem elektrischen Energienetz.
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Durch die zunehmende Verknappung fossiler Energieträger gewinnen Techniken zur Erzeugung von Energie aus regenerierbaren Quellen immer stärker an Bedeutung. Einen großen Anteil an diesen regenerierbaren Energiequellen haben dabei die Windenergie und die Fotovoltaik, wobei sich der Anteil dieser Energieformen in den nächsten Jahren noch deutlich steigern wird. Die Fotovoltaik weist dabei den Vorteil auf, dass relativ große Energiemengen in dezentraler Weise mit relativ geringem baulichen Aufwand bereitgestellt werden können, wobei auch akzeptable Erträge in nördlicheren Breiten geerntet werden können, so dass mittelfristig auch eine ökonomische Anwendung möglich ist. Entsprechende Fotovoltaikanlagen können daher einen großen Beitrag für die dezentrale Bereitstellung umweltfreundlicher Energie leisten, wobei jedoch eine große Abhängigkeit vom jeweiligen Standort, der Jahreszeit, dem Wetter im Tagesverlauf, und dergleichen besteht.
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Für die Windenergie ist es zur Zeit üblich besonders ergiebige Standorte auszuwählen, so dass prinzipiell ein hoher Ertrag pro installierter Windenergieanlage erreicht werden kann. Jedoch besteht auch hier eine relativ große Schwankung, die zwar zu einem gewissen Grade durch die Vernetzung überregionaler Windkraftanlagen verringert werden kann, aber dennoch die Grundlastfähigkeit stark beeinträchtigt. Es werden daher aktuell umfangreiche Anstrengungen unternommen, um zumindest eine gewisse Speicherkapazität bereitzustellen, so dass zumindest kurzfristige Schwankungen ausgeglichen werden können. Es ist bereits im heutigen Stromnetz häufig nicht möglich, die umweltfreundlich erzeugte Energie vollständig in das Netz einzuspeisen, wenn günstige Wetterbedingungen vorherrschen, da beispielsweise entsprechende Grundlastkraftwerke nicht in erforderlicher Weise heruntergefahren oder abgeschaltet werden können. Häufig werden daher Windkraftanlagen vom Netz genommen, während der im Hinblick auf den CO2-Ausstoß oder im Hinblick auf die Endlagerproblematik aufwändig erzeugte Strom von Grundlastkraftwerken, etwa von Kohlekraftwerken und Atomkraftwerken, weiterhin eingespeist wird.
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Generell wurden bislang diverse Speichermöglichkeiten vorgeschlagen, etwa in Form von chemischen Speichern für kleine Energiemengen, etwa für einzelne Haushalte, oder in Form von Pumpspeicherwerken, Anlagen für grolle Luftspeicher, die zum Antreiben von Turbinen dienen, und dergleichen. In jüngerer Vergangenheit wurde auch vorgeschlagen, Oberflächengewässer, etwa Schifffahrtswege, als temporäre Speicher zu verwenden. Für kleine Energiemengen sind beispielsweise aktuell verfügbare Batterientechnologien zwar prinzipiell geeignet, erfordern aber in der Regel große Mengen von nicht beliebig verfügbaren Materialien, etwa Lithium, und dergleichen, so dass für eine großflächige Verwendung derartiger elektrochemischer Speicher entweder mit sehr hohen Kosten zu rechnen ist, die eine großflächige Anwendung wirtschaftlich nicht geeignet erscheinen lassen, oder es müssen erst neue Speichertechnologien entwickelt werden, um gegebenenfalls mittelfristig einen Beitrag zur Energiespeicherung leisten zu können.
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Große Pumpspeicherwerke bieten generell die Möglichkeit, große Energiemengen effizient zu speichern, erfordern aber gewisse strukturelle Voraussetzungen, die nur in sehr wenigen Gebieten in geeigneter Weise vorliegen. Typischerweise ist zu einer effizienten Anbindung derartiger geeigneter Gebiete ein großer zusätzlicher Aufwand beim Ausbau der elektrischen Energienetze erforderlich, so dass auch hier nur langfristig Lösungen verfügbar sein werden, die eine zentrale Speicherung überschüssiger Energie und eine dezentrale Abgabe der gespeicherten Energie ermöglichen.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mittel anzugeben, mit denen Energie dezentral möglichst unter Ausnutzung bereits vorhandener Infrastrukturen gespeichert werden kann.
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Generell wird erfindungsgemäß ein Fluid, das zum Verbrauch vorgesehen ist, als effizientes Energiespeichermittel verwendet. Das Fluid ist beispielsweise Trinkwasser oder Brauchwasser, das für Haushalte und Industrie zur Verfügung gestellt wird, während in anderen Fällen das Fluid ein Brennstoff, etwa in Form von Öl, Gas, Benzin, und dergleichen ist, da derartige fossile Brennstoffe zumindest mittelfristig weiterhin in großen Mengen verbraucht werden und damit auch über geeignete Infrastrukturen verteilt werden müssen. Auch für das Trinkwasser ist eine geeignete Infrastruktur bereits vorhanden, die somit effizient genutzt werden kann, um eine dezentrale Speicherung von Energie zu ermöglichen.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die zuvor genannte Aufgabe gelöst durch eine Energiespeicherstation. Die Energiespeicherstation umfasst ein Speichervolumen zur Aufnahme eines zum Verbrauch vorgesehenen Fluids. Ferner ist ein Speichervolumen vorgesehen, das mit einem Verteilernetzwerk für das Fluid gekoppelt ist. Die Energiespeicherstation umfasst ferner eine Energiewandlereinrichtung, die mit einem elektrischen Energienetz verbunden und ausgebildet ist, potentielle Energie in dem Speichervolumen durch Aufnahme des Fluids in dem Speichervolumen zu speichern und potentielle Energie des Fluids durch Abgabe von Fluid aus dem Speichervolumen als elektrische Energie in das elektrische Energienetz einzuspeisen.
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Die erfindungsgemäße Energiespeicherstation umfasst somit ein geeignetes Speichervolumen, in welchem das für den Verbrauch vorgesehene Fluid aufgenommen wird und dabei potentielle Energie erhält, die bei Bedarf von der Energiewandlereinrichtung in elektrische Energie umgewandelt wird und dann ins elektrische Energienetz eingespeist wird. Die potentielle Energie des für den Verbrauch vorgesehenen Fluids kann dabei in Form von Lageenergie oder auch von erhöhtem Druck bereitgestellt werden, wobei auf die regional vorgegebenen Bedingungen zurückgegriffen werden kann. Beispielsweise sind in der Trinkwasserversorgung typischerweise entsprechende Mengen an Trinkwasser zu bevorraten, für die auch geeignete Speichervolumina zur Verfügung stehen, so dass beispielsweise in Zeiten, in denen elektrische Energie zur Speicherung verfügbar ist, ein großes Volumen an Trinkwasser unter größerem Druck und/oder in einer entsprechenden Hochlage bevorratet wird. Dabei kann bereits auf bestehende Infrastrukturen zurückgegriffen werden, indem die zu bevorratende Menge flexibel in Abhängigkeit von der verfügbaren Energie im elektrischen Energienetz eingestellt wird. Um gegebenenfalls eine höhere Speicherfähigkeit zu erhalten, können zusätzliche Behälter oder Volumina geschaffen werden, die jedoch typischerweise mit relativ geringem finanziellen und baulichen Aufwand bereitgestellt werden können, da sie eine ohnehin bereits vorhandene Infrastruktur nur ergänzen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das zum Verbrauch vorgesehene Fluid Trinkwasser. Wie bereits zuvor erläutert ist, verfügen viele Regionen über ein gut ausgebautes Versorgungsnetz für Trinkwasser, wobei typischerweise eine Vielzahl an dezentralen Wasserversorgungsstellen vorhanden sind, die somit effizient als Energiestation verwendet werden können, indem diese zumindest mit der Energiewandlereinrichtung versehen werden, sofern ein geeignetes Speichervolumen bereits vorhanden ist. In der Trinkwasserversorgung wird zunächst Wasser, beispielsweise von Oberflächengewässern, Brunnen, und dergleichen gewonnen und bei Bedarf aufbereitet, wobei relativ große Mengen auch jederzeit verfügbar sein müssen, so dass entsprechend dimensionierte Speichervolumina vorgesehen sind. Diese Speichervolumina können zumindest teilweise für die Energiespeicherung genutzt werden, da etwa die gesetzlich vorgeschriebene Menge an Wasservorrat stets beibehalten werden kann und ein zusätzliches noch verfügbares Volumen dieser Wasserspeicher sodann für eine flexible Speicherung elektrischer Energie genutzt werden kann. Beispielsweise können entsprechende Speichervolumina aus Oberflächengewässern und/oder Brunnen gespeist werden, so dass das bevorratete Wasser Lageenergie aufweist, die bei Bedarf wieder in elektrische Energie durch die Energiewandlereinrichtung umgewandelt wird, indem das bevorratete Wasser wieder in den Brunnen oder das Oberflächengewässer zurück gespeist wird. In anderen Ausführungsbeispielen wird das Wasser unter einem erhöhten Druck gespeichert, wenn etwa das Speichervolumen in Form eines Druckspeichers vorgesehen ist, so dass auch hier eine Druckdifferenz zum üblichen Betriebsdruck genutzt werden kann, um bei Bedarf wieder elektrische Energie zu gewinnen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das zum Verbrauch vorgesehene Fluid ein Brennstoff. Auch in diesem Falle ist typischerweise bereits eine gut ausgebaute Infrastruktur vorhanden, die somit erfindungsgemäß effizient genutzt werden kann, um dezentrale Energiespeicher vorzusehen. Beispielsweise gibt es ein umfangreiches Netz an Tankstellen, die über ausgeprägte Speichervolumina verfügen, das im Zusammenwirken mit der Energiewandlereinrichtung zumindest teilweise genutzt werden kann, um den Brennstoff mit erhöhter potentieller Energie zu speichern. Beispielsweise kann ein Reservoir mit Brennstoff zur Speisung des Speichervolumens dienen, so dass dort der Brennstoff unter erhöhtem Druck eingelagert wird, der dann bei Bedarf aus dem Speichervolumen wieder entnommen wird, um damit über die Energiewandlereinrichtung elektrische Energie wieder in das Energienetz zurück zu speisen. Die für die Energiespeicherung anzuwendenden Druckwerte richten sich dabei nach den Gegebenheiten des Speichervolumens, so dass bereits bei relativ unkritischen Betriebsdrücken von wenigen bar bis zu mehreren zehn bar eine effiziente Speicherung von Energie möglich ist, insbesondere wenn viele derartiger Energiestationen als dezentrales Speichernetzwerk dienen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Energiewandlereinrichtung eine erste Wandlereinheit auf, die zwischen dem mindestens einen Speichervolumen und dem Verteilernetzwerk vorgesehen und ausgebildet ist, das Fluid in das Verteilernetzwerk unter Gewinnung elektrischer Energie einzuspeisen.
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In dieser Ausführungsform wird also zumindest ein Teil des in dem Speichervolumen bevorrateten Fluids in das Verteilernetzwerk eingespeist und damit für den Verbrauch zur Verfügung gestellt, wobei die erste Wandlereinheit dafür sorgt, dass die entsprechende Druckdifferenz in elektrische Energie umgewandelt wird und ein für das einspeisen in das Verteilernetzwerk geeignetes Druckniveau bereitgestellt wird. Wenn beispielsweise eine Trinkwasserversorgung als Speicherstation dient, kann Trinkwasser aus einer Hochlage oder einem Behälter, der unter einem erhöhten Druck steht, in das Verteilernetz eingespeist werden, wenn aktuell eine hohe Nachfrage nach Trinkwasser vorhanden ist, das bei einem geringeren Druckniveau bereitzustellen ist und somit über die erste Wandlereinheit unter Abgabe elektrischer Energie auf den erforderlichen niedrigeren Betriebdruck „entspannt” wird. Wenn die Energiespeicherstation etwa in Form eines Brennstoffspeichers ausgebildet ist, kann, wie zuvor erläutert ist, die zwischen dem Speichervolumen und dem für die Abgabe erforderlichen Druckniveau bestehende Druckdifferenz effizient genutzt werden, um Energie zu gewinnen und gleichzeitig die Anforderungen im Hinblick auf die Einspeisung in das Verteilernetzwerk zu erfüllen.
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In einer weiteren anschaulichen Ausführungsform weist die Energiewandlereinrichtung eine zweite Wandlereinheit auf, die mit dem mindestens einen Speichervolumen verbunden und ausgebildet ist, elektrische Energie aus einem Teil des Fuids ohne Einspeisung in das Verteilernetzwerk zu gewinnen. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass auch in Zeiten eines geringen Bedarfs für das Fluid eine effiziente Einspeisung in das elektrische Energienetz durch die zweite Wandlereinheit erfolgt. Beispielsweise wird Trinkwasser von einer Hochlage wieder zurück in eine tiefere Lage gefördert, oder aber das Trinkwasser in dem Speichervolumen, das unter einem erhöhten Druck steht, wird in ein Speichervolumen mit geringerem Druck, der jedoch noch für die Bereitstellung des erforderlichen Betriebsdruckes in dem Verteilernetzwerk geeignet ist, gefördert. In Energiespeicherstationen, in denen Brennstoff als ”Arbeitsmedium” verwendet wird, erfolgt etwa eine Förderung des Brennstoff von dem Speichervolumen in ein Reservoir über die zweite Wandlereinheit, so dass auch hier in Zeiten eines geringen Verbrauchs des Fluids dennoch bei Bedarf elektrische Energie in das Energienetz eingespeist werden kann.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Energiewandlereinrichtung eine Fördereinrichtung auf, die ausgebildet ist, durch Aufnahme elektrischer Energie aus dem elektrischen Energienetz Fluid in das Speichervolumen zu fördern. Auf diese Weise wird die elektrische Energie direkt in der Energiespeicherstation genutzt, um das Fluid in dem Speichervolumen zu bevorraten, das dann eine entsprechende potentielle Energie besitzt. In einer weiteren Ausführungsform ist die Energiewandlereinrichtung ausgebildet, das Fluid aus einer unter Druck stehenden Fluidquelle in das Speichervolumen zu fördern. In diesem Falle ist es gegebenenfalls nicht erforderlich, in der Energiewandlereinrichtung eine doppelte Energiewandlung zur Speicherung und Abberufung der Energie aus dem Speichervolumen anzuwenden. D. h., das Fluid kann aus der Fluidquelle bereits mit einem geeigneten Druckniveau aufgenommen werden, so dass das Fluid direkt in das Speichervolumen transportiert werden kann, ohne dass gegebenenfalls eine Pumpe erforderlich ist. Beispielsweise kann die Energiespeicherstation von einem geeigneten Verteilernetzwerk gespeist werden, etwa einem Trinkwassernetz, das in Zeiten mit höherer verfügbarer elektrischer Energie das Fluid mit einem höheren Druck bereitstellt. In diesem Falle ist die Energiespeicherstation, die etwa bei einem Verbraucher installiert ist, so ausgebildet, dass zumindest eine geeignete Menge des Fluids gespeichert wird, wobei das Speichervolumen sodann in der darauf folgenden Zeit das Trinkwasser für den Verbraucher bereitstellt und die Druckdifferenz durch die Energiewandlereinrichtung in elektrische Energie umgewandelt wird. Beispielsweise kann ein Druckspeicher mit einem Volumen von etwa 1000 l verwendet werden, um den Bedarf eines durchschnittlichen Haushalts zumindest für mehrere Stunden abzudecken, der in Phasen mit überschüssiger elektrischer Energie im Energienetz sodann mit erhöhtem Druck aus der Wasserversorgung gespeist wird. Wenn ein Teil des Volumens verbraucht wurde oder der Speicher vollständig geleert ist, steht dieser wieder, bei Bedarf, für die Einspeisung eines unter höherem Druck stehenden Trinkwasservolumens bereit. Dabei erfolgt vorteilhafterweise die Steuerung der Fördeeinrichtung und der Energiewandlereinrichtung derart, dass in einer Zeit mit erhöhtem Speicherbedarf an elektrischer Energie das Fluid mit erhöhtem Druck in dem Speichervolumen gespeichert wird und aus diesem erst dann abgegeben wird, wenn ein erhöhter Energiebedarf in dem Energienetz vorliegt. Wenn der Zeitpunkt eines erhöhten Energiebedarfs in dem elektrischen Energienetz nicht mit einer Zeit zusammenfällt, in der Fluid für den Verbraucher bereitgestellt werden muss, ist die Energiewandlereinrichtung entsprechend ausgebildet, das Fluid in die Fluidquelle, beispielsweise ein überregionales Verteilernetz, zurück zu speisen. Die auftretende Druckdifferenz kann dabei wieder effizient in elektrische Energie umgewandelt werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Verteilernetz für das Fluid für mindestens 100 Abnahmestellen ausgelegt. D. h., in dieser Ausführungsform ist die Energiespeicherstation typischerweise so ausgelegt, dass eine Versorgung sehr vieler Abnahmestellen, beispielsweise Haushalte und Industrie- und Gewerbebetriebe, bewerkstelligt werden kann, wie dies etwa für kommunale und städtische Wasserversorgungen der Fall ist. In diesem Falle ist eine gut ausgebaute Infrastruktur in der Wasserversorgung vorhanden, so dass relativ große Energiemengen speicherbar sind.
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In anderen Ausführungsformen ist die Energiespeicherstation in Form einer lokalen Energiespeicherstation ausgebildet, die aus einem überregionalen Verteilernetz mit dem Fluid gespeist ist. D. h., die lokale Energiespeicherstation ist für einzelne Haushalte oder Gewerbebetriebe oder nur für eine kleinere Anzahl an Haushalten ausgelegt, so dass insgesamt der Aufwand zur Installation und zur Steuerung der lokalen Energiespeicherstation relativ gering ist. Global ergibt sich dann eine gewünschte hohe Speicherkapazität aus der großen Anzahl lokaler Energiespeicherstationen, die beispielsweise über das regionale oder überregionale Trinkwassernetz gespeist sind.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Energiespeicherstation ferner eine Steuerung, die ausgebildet ist, die Aufnahme von Fluid in dem Speichervolumen in Abhängigkeit zumindest eines energiespezifischen Parameters der über das elektrische Energienetz transportierten Leistung anzusteuern. D. h., die Aufnahme von Fluid in dem Speichervolumen und damit die Energiespeicherung wird in koordinierter Weise in Abhängigkeit des energiespezifischen Parameters ausgeführt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass eine effiziente Nutzung des verfügbaren Speichervolumens erfolgt. Der energiespezifische Parameter ist in einer Ausführungsform eine für die Einspeisung in das elektrische Energienetz durch externe Erzeuger zur Verfügung gestellte elektrische Leistung. Auf diese Weise werden effizient Phasen erfasst, in denen elektrische Energie im Überfluss vorhanden ist und auch Phasen, in denen eine Verknappung der elektrischen Energie im Energienetz auftritt. Der energiespezifische Parameter kann dabei durch Messung und/oder durch entsprechende Vorhersagen festgelegt sein, so dass bei Bedarf auch eine vorausschauende Speicherung von elektrischer Energie möglich ist. Dabei können auch regionale Gegebenheiten effizient berücksichtigt werden, da durch einen Verbund aus einer Vielzahl von Energiespeicherstationen eine sehr flächendeckende Abdeckung an Speichervolumen erreicht wird.
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In einer anschaulichen Ausführungsform ist die Aufnahme von Fluid aus dem überregionalen Verteilernetz in das Speichervolumen durch zumindest einen Parameter des Zustands des Fluids in dem überregionalen Verteilernetz gesteuert. In diesem Falle ist beispielsweise das überregionale Verteilernetz in Form eines Trinkwassernetzes gegeben, das etwa in Phasen mit elektrischer Überschussenergie unter erhöhtem Druck betrieben werden kann, so dass dieser Druck als geeigneter Parameter dienen kann, um die Aufnahme von Trinkwasser in dem Speichervolumen zu veranlassen. Auf diese Weise ist eine entsprechende Ankopplung der Energiespeicherstation an das elektrische Energienetz für die Speicherung des Fluids und für die Ermittlung des elektrischen Zustands des Energienetzes nicht erforderlich. Vielmehr wird die Notwendigkeit des Speicherns von Energie durch den Zustand des Fluids selbst angegeben.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die zuvor genannte Aufgabe gelöst durch ein Energiespeichernetzwerk. Das Energiespeichernetzwerk umfasst mehrere Energiespeicherstationen, wie sie zuvor beschrieben sind. Ferner umfasst das Energiespeichernetzwerk eine übergeordnete Steuereinrichtung, die ausgebildet ist, in Abhängigkeit zumindest eines energiespezifischen Parameters die Aufnahme von Fluid in den Speichervolumina zu steuern.
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Wie bereits zuvor erläutert ist, kann durch einen Verbund an Energiespeicherstationen insgesamt ein relativ hohes Speichervermögen bereitgestellt werden, auch wenn in den einzelnen Energiespeicherstationen ein nur moderates Speichervolumen zur Verfügung steht, so dass insgesamt durch das Netzwerk dennoch effizient kurzfristige Energieschwankungen in dem elektrischen Energienetzwerk ausgeglichen werden können. Dies wird insbesondere dadurch ermöglicht, dass die übergeordnete Steuereinrichtung unter Berücksichtigung des zumindest einen energiespezifischen Parameters die Speicherung des Fluids veranlasst. Der energiespezifische Parameter kann dabei auch regionale Aspekte des elektrischen Energienetzes berücksichtigen, so dass gegebenenfalls eine regional unterschiedliche Energiespeicherung und damit Energieverteilung erfolgt.
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Beispielsweise sind die Energiespeicherstationen als Trinkwasserversorgungsstationen ausgelegt, so dass das Energiespeichernetzwerk flächendeckend vorgesehen ist und damit Speichermöglichkeiten unabhängig von den geographischen Gegebenheiten bereitstellt. In anderen Ausführungsformen ist das Energiespeichernetzwerk in Form eines Netzwerkes von Tankstellen oder anderen Abgabestellen für Brennstoffe vorgesehen, die ebenso eine gute Flächenabdeckung unabhängig von den geographischen Gegebenheiten auf der Grundlage der bereits vorliegenden Infrastruktur bieten.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die zuvor genannte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Speicherung von Energie, die über ein elektrisches Energienetz bereitgestellt wird. Das Verfahren umfasst das Speichern eines ersten Anteils von Fluid in einem Speichervolumen unter Aufnahme von elektrischer Energie aus dem elektrischen Energienetz. Ferner umfasst das Verfahren das Einleiten zumindest eines Teils des ersten Anteils und/oder eines zweiten Anteils von Fluid in ein Verteilernetzwerk, das das Speichervolumen mit zumindest einer Verbraucherstation verbindet. Ferner umfasst das Verfahren das Gewinnen von elektrischer Energie aus dem ersten Anteil und/oder dem zweiten Anteil des Fluids durch Ableiten des ersten und/oder des zweiten Anteils des Fluids aus dem Speichervolumen.
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Wie bereits zuvor erläutert ist, wird unter Nutzung eines Fluids für den Verbrauch als ”Speichermedium”, etwa in Form von Trinkwasser oder einem Brennstoff, eine relativ große Speicherkapazität bereitgestellt, die jedoch keine aufwändige Neuinstallation erfordert, aber dennoch eine überregionale Flächenabdeckung bietet. Insbesondere können effizient bereits bestehende Infrastrukturen, etwa in Form von Wasserspeichern, Trinkwasserleitungen, Tankstellen, und dergleichen effizient weiterbenutzt werden, so dass die erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen auch kurzfristig eingerichtet werden können, und damit die Möglichkeit bieten, insbesondere regenerative Energien effizienter zu nutzen.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind auch in den angefügten Patentansprüchen definiert und gehen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor, die in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen studiert werden soll, in denen:
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1A schematisch eine Energiespeicherstation in Verbindung mit einem elektrischen Energienetz zeigt, wobei die Energiespeicherung mit Trinkwasser als Speichermedium erfolgt,
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1B schematisch die Energiespeicherstation zeigt, in der mehrere Speichervolumina und Wandlereinheiten für die Energiewandlung gemäß anschaulichen Ausführungsformen vorgesehen sind,
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1C schematisch eine Energiespeicherstation zeigt, die als lokale Energiespeicherstation ein kleines Verteilernetzwerk, beispielsweise einen Haushalt, mit dem Fluid, etwa mit Trinkwasser, versorgt gemäß weiteren anschaulichen Ausführungsformen,
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2 schematisch eine Energiespeicherstation zeigt, in der das ”Speichermedium” ein Brennstoff, etwa ein Kraftstoff für Fahrzeuge, und dergleichen ist und
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3 schematisch ein Energiespeichernetzwerk zeigt, in welchem eine Vielzahl an Energiespeicherstationen mit einer übergeordneten Steuerung versehen sind, um damit eine Speicherfunktion in Abhängigkeit mindestens eines energiespezifischen Parameters zu gewährleisten.
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1A zeigt schematisch eine Energiespeicherstation 100, die mit einem elektrischen Energienetz 150 verbunden ist, das beispielsweise von geeigneten Quellen elektrischer Energie gespeist wird. Vorzugsweise ist das elektrische Energienetz 150 von mehreren Energieerzeugungsanlagen gespeist, die durch regenerative Energieformen angetrieben sind. Wie eingangs bereits erläutert ist, unterliegt das elektrische Energienetz 150 Schwankungen, die durch beispielsweise eine variierende Einspeisung und/oder durch einen variierenden Energiebedarf von Verbrauchern hervorgerufen werden, die mit dem elektrischen Energienetz 150 verbunden sind.
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Die Energiespeicherstation 100 ist in der dargestellten Ausführungsform mit einer Abgabestelle bzw. einem Verteilernetzwerk 120 versehen, über welches ein Fluid 101 für den Verbrauch, beispielsweise durch Haushalte, Industrie, und dergleichen bereitgestellt wird. In vorteilhaften Ausführungsformen ist das Fluid 101 Trinkwasser, das von der Energiespeicherstation 100 über das Verteilernetzwerk 120 an eine entsprechende Leitung oder an entsprechende Verbraucher bereitgestellt wird. Die Energiespeicherstation 100 umfasst ein Speichervolumen 110, in welchem ein gewisser Anteil des Fluids 101 so gespeichert wird, dass es eine gewisse potentielle Energie besitzt, die bei Bedarf in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Die Station 100, wenn sie in Form einer Trinkwasserversorgung vorgesehen ist, wird typischerweise ihrerseits von einer Fluidquelle 102 gespeist, die beispielsweise in Form von Brunnen, etwa Tiefbrunnen, Oberflächenwasser, und dergleichen vorgesehen ist. Das Fluid 101 wird gegebenenfalls aufbereitet, so dass es für den beabsichtigten Verwendungszweck die geeignete Qualität besitzt. Wie zuvor bereits erläutert ist, ist die Station 100 so ausgebildet, dass eine gewisse Menge des Fluids 101 bevorratet werden kann, um damit den Bedarf im Verteilernetzwerk 120 zuverlässig decken zu können. Zumindest ein Teil des Fluids 101, das zumindest temporär in der Station 100 verfügbar ist, wird dabei je nach Speicherbedarf im elektrischen Energienetz 150 in dem Speichervolumen 110 aufbewahrt, so dass der Anteil des Fluids 101 in dem Speichervolumen 110 letztlich in das Verteilernetz 120 oder aber auch in die Fluidquelle 102 gespeist werden kann. Beispielsweise ist die Fluidquelle 102 in Form eines Reservoirs, etwa ein Oberflächengewässer, ein Brunnen, und dergleichen vorgesehen, das auf einem niedrigeren Höhenniveaus angeordnet ist, so dass Fluid von der Quelle 102 zu dem Speichervolumen 110 unter Aufwendung von Energie, die aus dem elektrischen Energienetz 150 bezogen wird, gefördert werden kann. Andererseits wird zumindest ein Teil des Fluids 101 in dem Speichervolumen 110 wieder in die Quelle 102 oder in einen tieferliegenden Vorratsbehälter (nicht gezeigt) zurück gespeist, um bei Bedarf wieder Energie in das elektrische Energienetz 150 einzuspeisen.
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Zu diesem Zweck ist eine Energiewandlereinrichtung 130 vorgesehen, die über eine Leitung 151 mit dem Energienetz 150 in Verbindung steht. Beispielsweise umfasst die Einrichtung 130 eine Pumpe und eine Turbine, oder eine Pumpe, die auch als Turbine arbeiten kann, um Fluid von der Quelle 102 in das Volumen 110 zu fördern. Geeignete Komponenten für diesen Zweck sind im Stand der Technik hinreichend bekannt. Die Energiewandlereinrichtung 130 ist in vorteilhaften Ausführungsformen mit einer Steuerung 140 verbunden, die beispielsweise zumindest einen energiespezifischen Parameter auswertet, der mit dem elektrischen Energienetz 150 im Zusammenhang steht. Ferner kann die Steuerung 140 auch andere Betriebsparameter bei der Steuerung der Energiewandlereinrichtung 130 berücksichtigen, etwa den aktuellen Füllstand des Speichervolumens 110, den aktuellen Bedarf an Fluid 101 in dem Verteilernetzwerk 120, und dergleichen. Die Steuerung 140 ist zu diesem Zweck in geeigneter Weise ausgebildet, um entsprechende Informationen zu erhalten und auszuwerten. Zu diesem Zweck können viele Arten bekannter Steuerungsmechanismen auf der Grundlage von Computern, Mikroprozessoren, und dergleichen verwendet werden.
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Die Energiespeicherstation 100 ist so ausgebildet, dass sie einerseits den Bedarf an Fluid 101 über das Verteilernetzwerk 120 decken kann, beispielsweise in Form von Trinkwasser, während gleichzeitig auch eine effiziente Speicherung von Energie bzw. Bereitstellung von Energie ermöglicht wird. Dazu wird beispielsweise die Energiewandlereinrichtung 130 so angesteuert, dass eine minimale Menge an Fluid 101, wie dies durch Min in der 1A angegeben ist, bereitsteht, um damit den technischen und gesetzlichen Auflagen im Hinblick auf die Einspeisung in das Verteilernetz 120 zu genügen. Wenn unter diesen Bedingungen die Steuerung 140 erkennt, dass überschüssige Energie über das Energienetz 150 verfügbar ist, wird die Einrichtung 130 entsprechend angesteuert, so dass Fluid 101 von der Quelle 102 in das Speichervolumen 110 gepumpt wird, wobei dies bis zu einem maximalen Füllstand Max erfolgen kann, sofern der Zustand überschüssiger elektrischer Energie in dem Energienetz 150 andauert. Bei Erreichen der maximalen Speicherkapazität des Speichervolumens 110 ist somit auch die maximale elektrische Speicherfähigkeit der Station 100 erreicht. Da typischerweise eine Vielzahl von Wasserversorgungen verfügbar sind, ergibt sich insgesamt eine relativ hohe flächendeckende Speicherwirkung. Beispielsweise sind typischerweise bereits in jetzt verfügbaren Wasserversorgungen Speichervolumina von vielen Tausend m3 verfügbar, so dass zumindest ein Teil dieses Volumens für eine effiziente Speicherung von elektrischer Energie genutzt werden kann, ohne dass zusätzliche Speichervolumina geschaffen werden müssen.
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Wenn die Steuerung 140 erkennt, dass Bedarf für zusätzliche Energie im Energienetz 150 besteht, kann über die Energiewandlereinrichtung 130 wieder ein Teil des Fluids aus dem Speichervolumen 110 abgeführt werden, beispielsweise in einen tieferliegenden Speicher (nicht gezeigt), in ein Speichervolumen mit geringerem Druck oder in die Fluidquelle 102, wobei dennoch ein benötigtes minimales Volumen an Fluid 101 zurückbehalten werden kann, wenn dies für eine zuverlässige Versorgung des Verteilernetzes 120 erforderlich ist.
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1B zeigt schematisch die Energiespeicherstation 100 in Ausführungsformen, in denen die Station 100 ebenfalls zur Versorgung des Verteilernetzwerkes 120 mit Trinkwasser dient, wobei jedoch das Speichervolumen 110 einen oder mehrere Speicher 111, 112 und 113 aufweist, die auf einem unterschiedlichen Höhenniveaus angeordnet sind und/oder Druckspeicher repräsentieren, die mit unterschiedlichem Druck beaufschlagt sind. Die Speicher 111, 112 und 113 werden beispielsweise von einer Pumpe/Turbine 134 der Energiewandlereinrichtung 130 mit dem Fluid 101 gespeist, wobei hier eine geeignete Fluidquelle 102, etwa in Form von Brunnen, Oberflächengewässern, und dergleichen vorgesehen ist. Auch hier kann in den jeweiligen Speichervolumina eine entsprechende Mindestmenge bevorratet werden, so dass eine zuverlässige Versorgung des Verteilernetzwerks 120 sichergestellt ist. In der dargestellten Ausführungsform weist das Verteilernetzwerk 120 entsprechende Bereiche 121, 122 und 123 auf, die mit den jeweiligen Speichervolumina verbunden sind und damit von diesen versorgt werden. Das Bereitstellen von Bereichen von Verteilernetzen mit unterschiedlichem Druckniveau wird häufig angewendet, um den regionalen Bedingungen bei der Trinkwasserversorgung Rechnung zu tragen. Hier kann beispielsweise bei Energieüberfluss im Energienetz 150 die Komponente 134 so gesteuert werden, dass sie vorzugsweise das Fluid 101 in den Speicher 111 fördert, so dass dort das Fluid 101 mit der höchsten potentiellen Energie gespeichert werden kann. In Phasen, in denen Energie in das Energienetz 150 einzuspeisen ist, kann dann eine Rückspeisung von dem Speicher 111 in die Fluidquelle 102 über die Einrichtung 134 erfolgen, wie dies auch zuvor erläutert ist. Dabei wird jedoch nur soviel Wasser aus dem Speicher 111 entnommen, dass die Versorgung des Bereichs 121 stets gewährleistet ist. In ähnlicher Weise stehen auch die Speicher 112 und 113, allerdings mit geringerer potentieller Energie, für eine Speicherung von Fluid 101 zur Verfügung, falls der Speicher 111 aktuell nicht verfügbar ist. Auch in diesem Falle kann bei Bedarf Fluid aus diesen Speichern über die Einrichtung 134 unter Gewinnung elektrischer Energie in die Quelle 102 abgeleitet werden.
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In einigen Ausführungsformen umfasst die Energiewandlereinrichtung 130 noch weitere Komponenten, die auch eine Energiegewinnung bei Abgabe von Fluid aus einem der Speicher in einen anderen Speicher oder in einen Bereich des Verteilernetzes 120 ermöglichen. Beispielsweise ist ein Wandler 131 so vorgesehen, dass er den Speicher 111 mit dem Speicher 112 verbindet, so dass beispielsweise Fluid 101 mit höherer potentieller Energie aus dem Speicher 111 in den Speicher 112 bzw. in den Bereich 122 des Verteilernetzes 120 abgeleitet werden kann, so dass das entsprechende Fluid für den Verbrauch bereitsteht aber dennoch gleichzeitig über den Wandler 131 Energie in das Netz 150 eingespeist werden kann. D. h., wenn der Speicher 111 geeignet gefüllt ist und Bedarf für eine Energieeinspeisung in das Netz 150 besteht und gleichzeitig ein großer Bedarf für Trinkwasser im Bereich 122 auftritt, kann dieser Bedarf vorzugsweise über den Speicher 111 und den Wandler 131 gedeckt werden, sofern der Bedarf im Bereich 121 deutlich geringer ist. In ähnlicher Weise ist ein weiterer Wandler 132 vorgesehen, der zwischen dem Speicher 111 und dem Speicher 113 angeordnet ist, so dass auch hier ein Bedarf im Speicher 113 bzw. in dem Bereich 123 durch den Speicher 111 gedeckt werden kann, wenn Energie in das Netz 150 einzuspeisen ist. Auch kann eine weitere Wandlereinheit 133 zwischen dem Speicher 112 und dem Speicher 113 vorgesehen sein, so dass auch hier bei gleichzeitiger Einspeisung in das Netz 150 der Bereich 123 des Verteilernetzes über den Speicher 112 versorgt werden kann.
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In der zuvor beschriebenen Ausführungsformen sind die Speicher 111, 112 und 113 als Speicher mit unterschiedlichem Höhenniveau beschrieben, jedoch können die unterschiedlichen Druckverhältnisse für das Verteilernetz 120 auch durch entsprechende Druckbehälter erzeugt werden, die auf gleichem oder unterschiedlichem Höhenniveau liegen können. Ferner können auch weniger als drei oder mehr als drei unterschiedliche Druckniveaus für das Verteilernetzwerk 120 vorgesehen sein. Bei der Installation der Energiespeicherstation 100 mit verschiedenen Druckniveaus ist es daher im Hinblick auf eine hohe Speicherfähigkeit vorteilhaft, Insbesondere den Speicher 111 mit dem höchsten Druckniveau für ein großes Speichervolumen auszulegen.
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In den vorhergehenden beschriebenen Ausführungsformen ist das Verteilernetz 120 typischerweise so gestaltet, dass damit ein sehr große Verbrauch, beispielsweise zur Versorgung einer Vielzahl von Haushalten, Gewerbebetrieben, und dergleichen, abgedeckt werden kann. Die Energiespeicherstation kann jedoch auch in Verbindung mit Verteilernetzwerk ein mit sehr geringer Kapazität, beispielsweise für ein Verteilernetzwerk in einem einzelnen Haushalt, vorgesehen werden, das zwar individuell nur ein kleines Speichervolumen bereitstellt, jedoch durch die große Anzahl an Energiespeicherstationen insgesamt ein dezentrales und effizientes Speichernetzwerk entsteht.
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1C zeigt schematisch eine Energiespeicherstation 100L, die auch als lokale Energiespeicherstation bezeichnet werden soll, in der das Verteilernetzwerk 120 lokale Verbraucher versorgt, beispielsweise einen Haushalt 104, einen Gewerbebetrieb, und dergleichen. In diesem Falle ist das Speichervolumen 110 deutlich kleiner ausgelegt, beispielsweise im Bereich von 0,5 bis zu einigen Kubikmetern. Das Speichervolumen 110 wird dabei über die Energiewandlereinrichtung 130 von einer Fluidquelle 102 gespeist, die etwa als ein überregionales Verteilernetz für die Trinkwasserversorgung bereitgestellt ist. In einer Ausführungsform wird dabei das Fluid in dem Speichervolumen 110 mit einem erhöhten Druck gespeichert und wird dann in das Verteilernetzwerk 120, das beispielsweise eine hausinterne Wasserleitung 121 speist, eingespeist, wenn im elektrischen Energienetz 150 ein erhöhter Bedarf an Energie besteht. Dazu ist beispielsweise eine Wandlereinheit 138 vorgesehen, die den Druckunterschied zwischen dem Speicher 110 und der Wasserleitung 121 in elektrische Energie umwandelt und dabei sicherstellt, dass ein geeigneter Arbeitsdruck in der Leitung 121 vorhanden ist. Wenn aktuell in dem Energienetz 150 kein Bedarf für zusätzliche Energie besteht und auch in dem Haushalt 104 keine zusätzliche elektrische Energie bereitgestellt werden soll, wird beispielsweise das Fluid aus dem überregionalen Netz 102 direkt in die Leitung 121 unter Umgehung des Speichers 110 eingeleitet. Dazu weist die Einrichtung 130 geeignete steuerbare Ventile 135 und 137 auf.
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In anderen Situationen besteht gegebenenfalls Speicherbedarf in dem Energienetz 150, während jedoch kein Bedarf für Trinkwasser in dem Verteilernetz 120 besteht. In diesem Falle ist in einigen Ausführungsformen vorgesehen, über ein steuerbares Ventil 136 Fluid aus dem Speicher 110 wieder in die überregionale Leitung 102 zurück zu speisen. Es sollte jedoch beachtet werden, dass typischerweise durch die Vielzahl an Energiespeicherstationen, die als lokale Stationen ausgebildet sind, stets ein Teil dieser Stationen auch Bedarf an Trinkwasser hat, so dass zumindest ein Teil des insgesamt gespeicherten Volumens gleichzeitig zur elektrischen Energiespeicherung und zur Versorgung der jeweiligen Verteilernetze innerhalb der Haushalte verwendet werden kann.
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In einer weiteren anschaulichen Ausführungsform ist die lokale Energiespeicherstation 100L so ausgebildet, dass diese im Zusammenwirken mit einer Energiespeicherstation, die die überregionale Leitung 102 speist, einen dezentralen Speicher bildet. Dazu wird beispielsweise bei Energieüberschuss in dem Netz 150, das gleichzeitig auch die überregionale Energiespeicherstation versorgt, in der überregionalen Energiespeicherstation das Fluid in der Leitung 102 generell mit einem erhöhten Druck bereitgestellt, so dass dann das Fluid in dem Speicher 110 mit diesem erhöhten Druck gespeichert werden kann. Dazu werden die Ventile 135, 136 und 137 beispielsweise in Abhängigkeit von dem Druck in der Leitung 102, etwa durch die Steuerung 140, geeignet angesteuert. Wenn gleichzeitig Bedarf an Trinkwasser in dem Verteilernetz 120 besteht, wird über den Wandler 138 die Leitung 121 mit dem geeigneten reduzierten Druck beaufschlagt, während die dadurch erzeugte elektrische Energie gegebenenfalls für andere Zwecke verwendet wird, falls eine Einspeisung in das Netz 150 nicht gewünscht ist. Typischerweise ist der Speicher 110 jedoch so bemessen, dass zumindest eine deutlich größere Menge gespeichert wird, als gleichzeitig bei Wasserbedarf in dem Haushalt 104 in die Leitung 121 einzuspeisen ist, so dass auch bei gleichzeitigem Erzeugen elektrische Energie durch den Wandler 138 typischerweise eine Speicherwirkung und damit insgesamt eine Entnahme elektrischer Energie aus dem Netz 150 erreicht wird.
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Bei anhaltendem Überschuss an Energie in dem Netz 150 wird somit zunehmend Wasser in dem Speicher 110 bevorratet, wobei geeigneter Weise der Druck darin so geregelt wird, dass der größere Betriebsdruck in der Leitung 102 ausreichend ist, um Wasser in den Speicher 110 zu fördern. Sobald der Energieüberschuss im Netz 150 abgebaut ist, wird die Leitung 102 wieder mit dem üblichen Betriebsdruck betrieben und das Verteilernetz 120 erhält Wasser unter normalen Druckbedingungen unter Umgehung des Speichers 110, wobei dies wiederum durch geeignete Ansteuerung der Ventile in der Einrichtung 130 bewerkstelligt werden kann. Sobald ein Speicherbedarf in dem Netz 150 besteht, wird das Verteilernetz 120 von dem Speicher 110 über den Wandler 138 versorgt, so dass gleichzeitig aufgrund der Druckdifferenz elektrische Energie in das Netz 150 eingespeist werden kann. Andererseits kann, falls gewünscht, auch bei Speicherbedarf im Netz 150 und fehlendem Bedarf in dem Verteilernetz 120 Fluid von dem Speicher 110 in die Leitung 102 zurück gespeist werden, wobei die Druckdifferenz über eine nicht gezeigte Wandlereinheit in elektrische Energie umgewandelt werden kann.
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2 zeigt schematisch eine Energiespeicherstation 200, die mit einem elektrischen Netz 250 einerseits und einem Verteilernetz 220 zur Bereitstellung eines Fluids 201 verbunden ist. In der dargestellten Ausführungsform ist das Fluid 201 ein Kraftstoff, etwa in Form von Benzin, Diesel, Öl, Gas, und dergleichen, der etwa über Entnahmestellen 221, 222, beispielsweise in Form von Zapfsäulen, für einen Verbraucher bereitgestellt wird. Das Verteilernetz 220 wird dabei von einem Reservoir 214 und/oder von einem Speichervolumen 210 gespeist, wobei in dem Speichervolumen 210 typischerweise das Fluid 201 unter Druck bevorratet wird, so dass potentielle Energie gespeichert und bei Bedarf abgerufen werden kann. Dazu umfasst die Station 200 eine Energiewandlereinrichtung 230, die beispielsweise ausgebildet ist, Fluid von dem Reservoir 214 unter Druck in den Speicher 210 zu fördern und bei Bedarf Fluid von dem Speicher 210 unter Abgabe elektrische Energie an das Energienetz 250 in das Reservoir 214 zurück zu speisen. Typischerweise sind entsprechende Behälter in Tankstellen verfügbar und können somit effizient als Reservoir 214 und Speichervolumen 210 in Verbindung mit der Energiewandlereinrichtung 230 verwendet werden.
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In einigen anschaulichen Ausführungsformen umfasst die Energiewandlereinrichtung 230 zumindest einen weiteren Wandler 231, der beispielsweise so vorgesehen ist, dass das Verteilernetz 220 über die Einheit 231 versorgt werden kann, so dass aufgrund der Druckdifferenz zwischen dem benötigten Arbeitsdruck und dem Druck in dem Speicher 210 auch bei Abgabe von Fluid in das Verteilernetz 220 Energie in das Netz 250 eingespeist werden kann.
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3 zeigt schematisch ein Energiespeichernetzwerk 390, das eine Vielzahl an Energiespeicherstationen 300A, 300B, 300C aufweist, die jeweils so ausgebildet sein können, wie dies zuvor mit Bezug zu den Energiespeicherstationen 100 und 200 erläutert ist. Insbesondere weist jede der Energiespeicherstationen ein zugehöriges Speichervolumen 310A, 310B, 310C in Verbindung mit einer zugehörigen Energiewandlereinrichtung 330A, 330B, 330C auf. Ferner wird jede der Energiespeicherstationen von einer zugehörigen Fluidquelle 302A, 302B, 302C gespeist, wie dies auch bereits zuvor im Zusammenhang mit den Energiespeicherstationen 100 und 200 erläutert ist. Beispielsweise sind die zugehörigen Fluidquellen Trinkwasserquellen, deren Wasser in den Energiespeicherstationen aufbereitet und aufbewahrt wird und nach Bedarf in ein entsprechendes Verteilernetzwerk eingespeist wird. In anderen Ausführungsformen sind die Fluidquellen andere geeignete Fluid-Reservoirs, beispielsweise Reservoirs für Brennstoff in Form von Diesel, Benzin, Öl, Gas, und dergleichen. Die einzelnen Energiespeicherstationen sind mit einer übergeordneten Steuereng 391 verbunden, die zumindest einen energiespezifischen Parameter auswertet, der im Zusammenhang mit dem Energienetz 350 steht. Beispielsweise umfasst der energiespezifische Parameter die zur Einspeisung in das Netz 350 aktuell oder künftig verfügbare elektrische Leistung, die von externen Erzeugern, beispielsweise Windkraftanlagen, Fotovoltaikanlagen, konventionellen Kraftwerken, und dergleichen bereitgestellt wird. Auf diese Weise kann die Steuerung 391 regional und überregional den Bedarf an Energie im Netz 350 ermitteln und dabei geeignete Energiespeicherstationen auswählen, die zum Speichern oder zum Abgeben von elektrische Energie verfügbar sind, so dass ein gewünschter energetischer Zustand im Netz 350 erreicht wird.
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Wie zuvor bereits erläutert ist, können die Energiespeicherstationen auf der Grundlage einer bereits vorhandenen Infrastruktur eingerichtet werden, so dass sich eine hohe Flächenabdeckung bei geringen Installationskosten ergibt. Insbesondere sind typischerweise bereits relativ große Speichervolumina vorhanden, die zur Speicherung von Fluid mit potentieller Energie nutzbar sind, ohne dass zunächst zusätzlicher Installationsaufwand entsteht. Die geeigneten Energiewandlereinrichtungen können in dem System 390 auf der Grundlage gut bekannter und bewährter Komponenten, in Form von Pumpen, Turbinen, Kompressoren, und dergleichen bereitgestellt werden. Somit kann kurzfristig ein großflächiges Netzwerk aus Energiespeicherstationen bereitgestellt werden, wobei insgesamt ein ausreichendes Speichervolumen zum Ausgleich zumindest kurzfristiger Energiefluktuationen ohne großen Investitionsaufwand bereitsteht. Aufgrund der guten Flächenabdeckung durch das Netzwerk 390 kann mittels der Steuerung 391 eine sehr feinfühlige und engmaschige Versorgung mit elektrischer Energie über das Netz 350 mit einer hohen Konstanz erreicht werden.
