DE102011119116A1

DE102011119116A1 - Windenhubspeicher mit Eigenhub

Info

Publication number: DE102011119116A1
Application number: DE102011119116A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-11-22
Filing date: 2011-11-22
Publication date: 2013-05-23

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur Speicherung und Rückgewinnung elektrischer Energie unter Ausnutzung der Schwerkraft eines festen Masseträgers. Eine Hubeinheit bestehend aus einem Masseträger und einer Seilwinde hebt sich selbst unter dem Einsatz elektrischer Energie an und erzeugt eine potenzielle Lageenergie. Die potenzielle Lageenergie wird beim Absenken der Hubeinheit in elektrische Energie zurück gewandelt. Das Anheben und Absenken der Hubeinheit ist mit einem Wirkungsgradverlust verbunden. Das Verfahren wird analog zu den bekannten Pumpspeicher Kraftwerken zur Speicherung elektrischer Energie und zur Stabilisierung der Stromnetze eingesetzt.

Description

Eine sichere Stromversorgung setzt voraus, dass das Stromangebot jederzeit genau so groß ist wie die Stromnachfrage. Pumpspeicher Kraftwerke leisten einen wichtigen Beitrag zur Stabilisierung der Stromnetze.
Die bekannten Pumpspeicher-Kraftwerke bestehen aus zwei Wasserbecken, die höhenmäßig möglichst weit auseinander liegen. Dazwischen ist das eigentliche Kraftwerk mit den Turbinen, Pumpen und Generatoren/Motoren angeordnet. Soll das Kraftwerk Strom liefern, wird das Wasser vom Oberbecken über die Turbinen in das Unterbecken geleitet. Um das Oberbecken wieder zu füllen, wird der Weg des Wassers umgekehrt. Die Generatoren/Motoren werden dann als Motoren für den Antrieb der Pumpen genutzt, die das Wasser nach oben pumpen.
Den Strombedarf für den Pumpvorgang liefern heute meist Grundleistungskraftwerke in bedarfsarmen Zeiten. Zunehmend werden auch die Angebotsspitzen z. B. aus der Windkraft zur Befüllung der oberen Becken genutzt. Der Wirkungsgrad von Pumpspeicherkraftwerken beträgt bis zu 80%. Die Kosten des Energieverlusts werden durch die gleichförmige Auslastung der Grundleistungs-Kraftwerke und Dienstleistungen für die Stabilisierung der Stromnetze ausgeglichen. Bei hoher Nachfrage erreichen die Preise für Spitzenlaststrom mehrere EUR je kWh.
Die Erzeugung erneuerbarer Energien wie Windenergie und oder Solarstrom ist mit plötzlichen Schwankungen (Minutenreserve) verbunden, die ausgeglichen werden müssen. Hinzu kommen die natürlichen Schwankungen des Stromangebots über den Tagesverlauf und die Jahreszeiten. Pumpspeicher Kraftwerke werden insbesondere eingesetzt um die kurzfristigen Nachfrage- und Angebotsschwankungen (Regelenergie) nach Strom auszugleichen. Der Bedarf an Kraftwerken dieser Art ist tendenziell steigend. Der Zubau an Pumpspeicherkraftwerken ist u. a. auch aufgrund von Naturschutzaspekten kaum noch möglich.
Physikalische Grundlagen
Mechanische Arbeit und elektrische Arbeit sind äquivalent. Es gilt 1 Nm = 1 Ws
Das Anheben bzw. Absenken einer Masse ist mit dem Einsatz bzw. dem Gewinn von Energie verbunden. Zum Anheben eines Körpers ist eine Arbeit zu verrichten, die eine potentielle Energie E_pot = m·g·h erzeugt. (m = Masse in kg, g = Fallbeschleunigung = 9,81 m/sec² und h = Hubhöhe in m)
Wird ein Masseträger von einer Tonne um einen Meter angehoben, so beträgt die potentielle Energie an der Erdoberfläche 9.810 Nm = 9.810 Ws = 2,725 Wh.
Stand der Technik
Es ist bekannt, dass die Schwerkraft gestauter Wassermassen in Pumpspeicherseen zum Speichern elektrischer Energie genutzt wird. Die Nutzung der Schwerkraft fester Masseträger wird derzeit weder von der Wissenschaft noch von der Industrie erforscht oder erprobt.
Probleme beim Stand der Technik
Die zunehmende Nutzung Erneuerbarer Energien verringert den Anteil des Grundlaststroms aus Großkraftwerken. Es gibt zunehmend Zeiten mit einem Überschussangebot an Strom. Zu anderen Zeiten ist die Nachfrage nach Strom höher als das Angebot. Spitzen im Stromangebot müssen in die Zeiten geringen Stromangebots oder hoher Stromnachfrage verschoben werden. Die Speicherkapazitäten für elektrische Energie sind knapp. Die Speicherung elektrischer Energie in Pumpspeicherkraftwerken ist an das Vorkommen von Wasser bei geeigneten Höhenunterschieden gebunden. Der Zubau an Pumpspeicher Kraftwerken ist stark begrenzt.
Lösung
In den Patentschriften DE 10 2008 028 764 , DE 10 2010 014 342 und anderen ist die Funktionsweise der Windenhubspeicher dargestellt.
Diese Erfindung beschreibt eine besonders effiziente und kostengünstige Anordnung der Komponenten eines Windenhubspeichers.
Windenhubspeicher mit Eigenhub
Zeichnung 1 beschreibt einen Windenhubspeicher mit Eigenhub an einem Pfeiler. Auf dem Pfeiler 1 ist die Seilrolle 5 angebracht. Das Gewicht 4 ist mittig mit einer Öffnung versehen, durch die der Pfeiler 1 hindurchragt. Das Ende des Seils 2 ist über die Halterung 3 an dem Gewicht 4 befestigt. Das Seil 2 wird über die Seilrolle 5 und die Umlenkrolle 6 zu der Seiltrommel der Seilwinde 7 geführt und ist dort befestigt. Die Achse des Elektromotors/Generators 8 ist mit der Achse der Seiltrommel fest verbunden.
Lademodus: Zum Aufladen des Speichers entnimmt der Elektromotor/Generator 8 die elektrische Energie aus dem Stromnetz 10 und treibt die Seilwinde 7 an. Das Seil wird dabei auf die Seiltrommel der Seilwinde 7 aufgewickelt. Die Verkürzung des Seils 2 erzeugt auf beiden Seiten des Pfeilers 1 einen gleichgerichteten Zug, der die Hubeinheit 11 anhebt.
Der Hub erzeugt die potenzielle Energie: m × g × h, wobei sich das wirksame Gesamtgewicht m der Hubeinheit 11 aus der Summe der Gewichte des Masseträgers 4, der Seilwinde 7 und des Elektromotors/Generators 8 zusammensetzt.
Entlademodus: Das Entladen des Speichers erfolgt, indem das Gesamtgewicht m der Hubeinheit 11 über das Seil 2 an der Trommel der Seilwinde 7 ein Drehmoment erzeugt, das den Elektromotor/Generator antreibt und dabei absinkt. Der Elektromotor/Generator 8 erzeugt Strom, der über den Netzwandler 9 in das Stromnetz 10 eingespeist wird.
Winddruck und Verkanten der Hubeinheit: Bei hohen freistehenden Pfeilern 1 ist zu berücksichtigen, dass das Gewicht 4 durch Winddruck in Schwingung versetzt wird. Die Schwingungen werden durch Führungsrollen (nicht in der Skizze dargestellt), die an der Hubeinheit 11 angebracht werden und an dem Pfeiler 1 entlangrollen, abgefangen. Die Führungsrollen verhindern ebenfalls ein Verkanten der Hubeinheit 11, das durch eine geringfügig ungleiche Gewichtsverteilung entstehen kann.
Zeichnung 2: zeigt eine Anordnung, bei der die Hubeinheit 11 an zwei Pfeilern 1 empor gezogen und abgesenkt wird. Auf der Seiltrommel der Seilwinde 7 sind zwei Seile 2 mit gegenläufiger Wicklung befestigt. Der Antrieb der Seilwinde 7 erzeugt eine gleichstarke Zugkraft an den Halterungen 3 und an den Umlenkrollen 6. Die Hubeinheit 11 ist an 4 Haltepunkten (2 Halterungen 3 und 2 Umlenkrollen 6) aufgehängt. Die Antriebskraft an dem Elektromotor/Generator, entspricht einem Viertel der Gewichtskraft des Gesamtgewichts m der Hubeinheit 11. (Die Elektromotoren/Stromgeneratoren 8 der Stromwandler 9 und das Stromnetz 10 sind nicht erneut dargestellt.)
Alternativ zu der in Zeichnung 2 dargestellten Anordnung kann die Seilwinde 7 durch zwei oder mehrere getrennte Seilwinden ersetzt werden. In diesem Fall wird der vertikale Zug der Seilwinden durch eine elektrische oder mechanische Steuerung so ausgeglichen, dass die Hubeinheit 11 in einer stabilen horizontalen Lage hochgezogen bzw. abgesenkt wird.
Zeichnung 3: zeigt eine Anordnung, bei der zwei Hubeinheiten 11 übereinander angeordnet sind. Auf den Seitenwänden 12 sind die Aufhängungen 13 angebracht. Die Enden der Seile 2 sind an den Aufhängungen 13 befestigt und werden über die Umlenkrollen 6 zu den Seilwinden 7 geführt. Die linken und die rechten Seile 2 sind auf den zugehörigen Trommeln der Seilwinden 7 gegenläufig aufgewickelt. (Die Elektromotoren/Stromgeneratoren 8 der Stromwandler 9 und das Stromnetz 10 sind nicht erneut dargestellt.)
Die Anordnung der beiden Hubeinheiten 11 übereinander erfordert, dass die beiden Hubeinheiten 11 an ebenen Wänden geringfügig um die Breite der Umlenkrollen 6 versetzt angebracht werden. In dem runden Turm einer Windmühle oder in einem Bergwerkschacht werden die Hubeinheiten 11 z. B. als kreisförmige Scheiben ausgeformt und horizontal gedreht zueinander angeordnet.
Vorteile der Windenhubspeicher mit Eigenhub
Die bekannten Beschreibungen der Hubspeicher gehen davon aus, dass die Seilwinde oberhalb des Masseträgers auf einem Trägerportal oder an einem Hang angeordnet ist. Das in diesem Patentantrag beschriebene Konzept des Eigenhubs erzielt die folgenden Vorteile:
Die Seilwinde, der Antrieb (z. B. Getriebe) und der Elektromotor/Generator, die ein schweres Gewicht anheben haben ihrerseits ein Eigengewicht zwischen 10 und 20% des anzuhebenden Masseträgers. Die Integration der Seilwinde und ihrer Hauptkomponenten in den Masseträger führt bei gleichem Speicherinhalt zu einer deutlichen Reduktion des Materialeinsatzes und damit der Investitionskosten.
Auf oder an dem Trägerportal sind in großer Höhe lediglich Umlenkrollen anzubringen, über die das Seil geführt wird oder Halterungen an denen ein Seilende befestigt wird. Die Montage der schweren Seilwinden an oder auf einem Trägerportal in großer Höhe entfällt und reduziert ebenfalls die Investitionskosten.
Alle Komponenten, die einer regelmäßigen Wartung und Überwachung bedürfen, werden mit der Hubeinheit abgesenkt und sind ebenerdig zugänglich. Dies senkt die Wartungs- und Betriebskosten des Speichers. Dieser Vorteil bleibt zumindest teilweise auch dann erhalten, wenn die Hubeinheit in einen Schacht im Erdreich abgesenkt wird.
Die in Zeichnung 3 gezeigte Anordnung (Beispielrechnung 3) unterstützt die Modularisierung großer Gewichte, indem mehrere kleinere Hubeinheiten übereinander angeordnet werden. Sie ermöglicht hohe Speicherinhalte und Speicherleistungen auf einer begrenzten Grundfläche (z. B. Schacht, Turm einer Windmühle).
Die in Zeichnung 3 gezeigte Anordnung ermöglicht es, dass mehrere Hubeinheiten einzeln oder gleichzeitig in eine Richtung angehoben bzw. abgesenkt werden können. Damit kann die Leistungsaufnahme (negative Regelenergie) bzw. Leistungsabgabe (positive Regelenergie) des Speichers an die externen Anforderungen optimal angepasst werden.
Windenhubspeicher mit Eigenhub ermöglichen die Speicherung elektrischer Energie bei geringem Flächenverbrauch und niedrigen Kosten im kleineren und mittleren Leistungsbereich. Beispiele sind: autonome Straßenlampen ohne Netzanbindung, Notstromaggregate, Nutzung des Innenraums von Türmen (z. B. Windmühlen), Nutzung des innen- oder Außenraums von Masten (z. B. Strom, Sender), Nutzung der Wände von Gebäuden (z. B. hohe Industriebauten)
Beispielrechnung 1: Die in Zeichnung 1 dargestellte Anordnung kann z. B. zum Betrieb einer autonomen Straßenlampe verwendet werden. Moderne LED-Straßenlampen haben eine Leistungsaufnahme zwischen 5 und 30 Watt. Bei dem Verbrauch einer Volllast von 10 W über 6 Stunden je Nacht, ist ein elektrischer Leistungsinhalt von 10 W × 6 h = 60 Wh je Straßenlampe vorzuhalten. Diese Energie wird rechnerisch (Wirkungsgradverluste nicht berücksichtigt) durch den Hub eines Betonwürfels von 1 m³ das entspricht dem Gewicht von ca. 2,7 t um 8 m erzeugt.
Beispielrechnung 2: Die in Zeichnung 2 dargestellte Anordnung entspricht dem Hub des Gesamtgewichts m an einem Flaschenzug mit 4 Seilen. Bei einer zulässigen Seilbelastung von 100 t, können 400 t um 100 m angehoben werden und eine potenzielle Energie von 400 t × 100 m × 2,725 Wh/t·m = 109.000 Wh = 109 kWh erzeugen. Bei einem Wirkungsgrad von ca. 90% für den Absenkvorgang ergibt sich ein Inhalt von ca. 100 kWh elektrisch.
Beispielrechnung 3: Der Turm einer Windmühle habe einen Innenraum von 100 m Höhe und einen Innendurchmesser von etwas über 10 m. Die verfügbare Grundfläche für die Hubeinheiten beträgt ca. 75 m². Bei einer Höhe von 2 m und einem spezifischen Gewicht von ca. 2,7 t/m³ wiegt die Hubeinheit 400 t. Bei einer verfügbaren Höhe von 100 m erzeugt der Hub einer Hubeinheit ca. 109 kWh potenzielle Energie.
Die maximale potenzielle Energie wird gespeichert, wenn der Innenraum mit 25 Hubeinheiten, die übereinander angebracht sind, zur Hälfte aufgefüllt ist. Die 25 Hubeinheiten wiegen 400 t/Einheit·25 Einheiten = 10.000 t. Die Hubhöhe beträgt bei halber Füllung 50 m. Das ergibt eine potenzielle Energie von 10.000 t × 50 m × 2,725 Wh/t·m = 500.000 t·m × 2,725 Wh/t·m = 1.362.500 Wh = 1.362 kWh bzw. 1,36 MWh.
Bezugszeichenliste

1: Pfeiler
2: Seil
3: Halterung
4: Gewicht (Masseträger)
5: Seilrolle
6: Umlenkrolle
7: Seilwinde mit Seiltrommel
8: Elektromotor/Generator
9: Stromwandler
10: Stromnetz
11: Hubeinheit
12: Seitenwand
13: Aufhängung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008028764 [0010]
DE 102010014342 [0010]

Claims

Verfahren und Vorrichtung zur Speicherung elektrischer Energie dadurch gekennzeichnet, dass an, auf oder in einem Gewicht eine oder mehrere Seilwinden angebracht sind und dass die freien Seilenden der Winden an Halterungen, die sich oberhalb des Gewichts befinden, befestigt sind und die Zugkraft der Seilwinden so geregelt ist, dass das Gewicht in einer stabilen Lage angehoben und abgesenkt wird. Die Elektromotoren/Generatoren der Seilwinden werden mit Strom aus dem Netz angetrieben und heben das Gewicht (Masseträger) und das Eigengewicht der Seilwinden hoch. Die Schwerkraft des Gesamtgewichts treibt beim Absenken die Seilwinden und die Elektromotoren/Generatoren in entgegengesetzter Drehrichtung an. Diese speisen die, um den Wirkungsgrad der Vorrichtung verminderte, elektrische Energie in das Netz zurück.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Seil jeder Seilwinde über eine oder mehrere Umlenkrollen, die oberhalb des Gewichts und an dem Gewicht selbst angebracht sind, geführt wird und das freie Seilende an der oben angebrachten Halterung oder an dem Gewicht selbst befestigt ist.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Gewicht einen Pfeiler umschließt und auf dem Pfeiler und an dem Gewicht eine oder mehrere Umlenkrollen angebracht sind, über die das Seil einmal oder mehrfach zum Gewicht zurück geführt wird und das freie Ende des Seils am Gewicht oder einer oben liegenden Halterung befestigt ist.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass an einem Gewicht eine oder mehrere Seilwinden angebracht sind und das Gewicht in einem Schacht (z. B. Turm einer Windmühle, Bergwerkschacht) untergebracht ist, wobei die Seile zwischen dem Gewicht und der Schachtwand nach oben geführt werden.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass in einem Schacht zwei oder mehrere Hubeinheiten übereinander angeordnet sind und unabhängig voneinander zeitgleich oder nacheinander angehoben bzw. abgesenkt werden.