DE102012002573A1 - Gravitations-Energie-Speicher-System und Verfahren zum Betrieb dieses Systems - Google Patents

Gravitations-Energie-Speicher-System und Verfahren zum Betrieb dieses Systems Download PDF

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Jürgen Thorbeck
Dmitry Rakov
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    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/16Mechanical energy storage, e.g. flywheels or pressurised fluids

Abstract

Die Erfindung gehört zum Gebiet der Energetik und kann für die Energiespeicherung in verschiedenen Anwendungsbereichen, z. B. Windkraft-, Photovoltaikanlagen und anderen Energieversorgungssystemen angewendet werden. Es schlägt ein Prinzip der Energiespeicherung unter Nutzung der Gravitation vor, bei dem Wasser als Energieträger dient. Da es sich ausschließlich auf hydraulische und elektrische Komponenten stützt, wird ein großer Gesamtwirkungsgrad von über 80% erreicht. Es kann vielseitig und skalierbar eingesetzt werden und stützt sich dabei vollständig auf erprobte Einzeltechnologien. Weiterhin kann dieses System in unterschiedlichen Betriebsmoden eingesetzt werden und somit an den jeweiligen Energiespeicherungs- und Leistungsbedarf optimal angepasst werden. Das Gravitations-Energie-Speicher-System (GESS, siehe Abbildung), besteht aus einem Luftbehälter (1), der an seiner Unterseite mit einer Turbine (6) ausgestattet ist. Diese treibt einen elektrischen Generator an und ist zwischen dem Behälterinnenraum und der Umgebung (Wasser) installiert. Der Innerraum des Luftbehälters (1) ist mit der Umgebung (Wasser) über ein regelbares Ventil verbunden. Der Luftbehälter (1) befindet sich vollständig im Wasser oder im teilweise getauchten Zustand, wobei er, je nach Tauchtiefe, vollständig mit Luft (7) oder mit Luft (7) und Wasser (8) im beliebigen Verhältnis gefüllt ist. Der Luftbehälter (1) ist ferner mit Hilfe eines Seils (2) mit einer Seilwinde (4) auf dem Seegrund (3) verbunden, die einen elektrischen Antrieb (5) aufweist, der sowohl als Motor wie auch als Generator eingesetzt werden kann, und die die vertikale Position des Tauchspeichers kontrolliert.

Description

  • Anwendungsgebiet
  • Die Erfindung gehört zum Gebiet der Energetik und kann für die Energiespeicherung in verschiedenen Anwendungsbereichen, z. B. Windkraft-, Photovoltaikanlagen und anderen Energieversorgungssystemen angewendet werden.
  • Stand der Technik
  • Die Energiespeicherung ist der Schlüssel zur wirtschaftlichen Nutzung erneuerbarer Energien. Ein zukunftsträchtiger Weg dorthin ist der Einsatz hocheffizienter elektrischer Akkumulatoren mit Leistungen im Megawattbereich, die Schwankungen in der Energienachfrage schnell ausgleichen können. Um zukünftig eine immer effizientere Auslastung der Stromnetze zu erreichen, besteht ein großer Bedarf für neue infrastrukturelle Lösungen für die Energiespeicherung. Neben den verschiedenen stationären Speicheroptionen bieten mobile Lösungen wie Elektrofahrzeuge weitere innovative technologische Möglichkeiten für eine dezentrale, vernetzte Stromspeicherung.
  • Bekannt sind Pumpspeicherkraftwerke in gebirgigen Regionen. Bei diesen steigt die Wirtschaftlichkeit allgemein mit der Förderhöhe. Aus diesem Grund wird beim Bau von Pumpspeicherkraftwerken ein gebirgiges Gelände genutzt, wobei das Wasser im Pumpbetrieb von einem im Tal gelegenen See über eine möglichst große Höhe in einen bergseitigen See gepumpt wird, der üblicherweise bis zu einigen 100 m oberhalb des unteren See liegt.
  • Das Patent 03089819A der Firma Fuji Electric Co. Ltd. (japanisches Patent, int. Klassifikation H02J 15/00) mit der Bezeichnung Seewasserkraftwerk weist das Prinzip eines normalen Pumpspeicherkraftwerk aus, bei dem das Meer als unteres Wasserreservoir genutzt wird. Zur Generierung eines ausreichenden hydrostatischen Drucks wird ein See in entsprechender Höhe benötigt, der nur an einer steilen Meeresküste verfügbar ist. Dieser muss eine der Speicherkapazität proportionale Fläche aufweisen. Das Kraftwerk beansprucht laut Patentschrift zudem Landfläche auf Meeresniveau.
  • In einer anderen japanischen Patentschrift der Toshiba Corporation ( 03188395 A , int. Klassifikation G21C 1/00) wird eine unterirdische Kaverne in Meeresnähe im Pumpbetrieb in das Meer entleert und im Turbinenbetrieb mit Seewasser gefüllt. Das Anlegen einer Kaverne unter dem Meeresspiegel ist sehr kostenaufwändig. Deshalb dient das Prinzip der Toshiba-Erfindung lediglich der Kühlung eines Kernkraftwerkes aber nicht primär der Energiespeicherung.
  • Mit dem Patent DE 195 13 817 B wurde ein Pumpspeicherwerk vorgestellt, bei dem der untere See in einem ausgeräumten Tagebau angelegt ist. Der obere See wird vorteilhaft durch Deiche aus Abraummasse realisiert. Diese Lösung bietet denselben Effekt wie ein Pumpspeicherwerk im Gebirge. Geeignete Anlagen des Tagebaus mit einer ausreichenden Tiefe stehen jedoch nur äußerst vereinzelt zur Verfügung.
  • Das Patent DE 10 2008 019 504 A1 stellt ein Pumpspeicherwerk vor, welches aus Wasserspeicherbecken mit einem höheren und einem tiefer liegenden Wasserspiegel besteht, die durch mindestens eine Wasserleitung verbunden und bei dem auf dem Niveau des tiefsten Beckengrunds jeweils eine Motor-Pumpen- sowie eine Turbinen-Generator-Kombination angeordnet ist. Da beide Wasserspeicherbecken auf annähernd gleicher Höhe liegen, wird durch eine temporäre Absenkung eines der Wasserspiegel bei gleichzeitiger Erhöhung des anderen sowie den anschließenden Niveauausgleich ein Speicherzyklus gebildet.
  • Aus dem US Patent 20110169275 mit der Bezeichnung Submariner Druckluftspeicher ist bekannt, dass ein am Meeresboden positionierter Druckluftspeicher mit einer festen oder flexiblen Hülle zur Energiespeicherung verwendet werden kann. Auf die Hülle wirken dabei nur sehr geringe Kräfte, da der Druck der komprimierten Luft im Behälterinneren und der Wasserdruck auf seiner Außenseite gleich groß sind. Dennoch erfolgt dabei die Druckluftspeicherung mit großem Druck. So herrscht z. B. in 1.000 Meter Tiefe ein Druck von ca. 100 bar. Als submariner Druckluftspeicher mit fester Hülle können beispielsweise ausgediente Öltanker verwendet werden. Submarine Druckluftspeicher mit flexibler Hülle werden als „Energy Bag” bezeichnet. Prof. Seamus Garvey (University of Nottingham) arbeitet an Druckluftspeichern in Form von sehr voluminösen Unterwasser-Ballons. In Kombination mit neuartigen Wind- und Wellenkonvertern sollen die Speicher mit bis zu 60 Atmosphären Druck und einer Temperatur bis 630°C in bis zu 600 m unter der Meeresoberfläche arbeiten. Die Idee bei Garveys System ist, mit extrem großen Windturbinen mit Durchmessern von mehr als 230 Metern Luft in die unter Wasser verankerten Energy Bags zu pumpen. Damit können bei Bedarf Druckluftgeneratoren betrieben werden, um Strom zu erzeugen. Sinnvoll wäre Garvey zufolge, wenn sich die Beutel in etwa 500 Metern Tiefe befinden, denn die Luft wird dann mit einem Druck gespeichert, der dem Wasserdruck in dieser Tiefe entspricht.
  • Die vorliegende Erfindung bietet eine frei skalierbare Lösung für das Speicherproblem mit im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen deutlich besserem Wirkungsgrad. Weiterhin sind sämtliche darin angewendeten Komponenten in ausgereifter Form verfügbar. Somit ist das Entwicklungsrisiko gering.
  • Nachteile des Standes der Technik
    • • Geringer Wirkungsgrad (<< 80%) wegen der Nutzung von Kompressoren bzw. Pumpen
    • • Große Verluste bei Langzeitspeicherung
    • • Große Anfahrzeiten
    • • Geringe Einsatzflexibilität
    • • Mangelnde Mobilität
    • • Keine oder geringe Skalierbarkeit der Kapazität
    • • Großer Realisierungsaufwand (benötigte Infrastruktur)
  • Aufgabe der Erfindung
  • Das Ziel der Erfindung ist es, den Wirkungsgrad eines Speichersystems im Vergleich zu den bekannten Systemen deutlich zu verbessern. Bei dieser technischen Lösung wird ein erster Schritt zu einem integrierten off-shore-System aus Hydroluftspeicher und erneuerbarer Stromerzeugung vorgeschlagen. Mit Hilfe dieses Energiespeicherungssystems lassen sich unvermeidbare saisonale und tagesgangbedingte Schwankungen bei der Generierung von Wind- oder Solarstrom mit nur minimalen Verlusten ausgleichen. Die Auslegung der Energieerzeugungsanlage würde somit nicht mehr für die Spitzen-, sondern lediglich für die Durchschnittsbelastung erforderlich.
  • Lösung der Aufgabe
  • Die Lösung der dieser Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 und 5 beschrieben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der folgenden Beschreibung, insbesondere unter Bezugnahme auf die Vorteile und mögliche Anwendungen der erfindungsgemäßen Lösung.
  • Die Lösung der Aufgabe für ein Gravitations-Energie-Speicher-System, bestehend aus einem Luftbehälter, der an seiner Unterseite mit einer Turbine ausgestattet ist, die einen elektrischen Generator antreibt, wobei die Turbine mit dem elektrischen Generator zwischen dem Behälterinnenraum und der Umgebung (Wasser) installiert ist, der Innerraum des Luftbehälters mit der Umgebung (Wasser) durch mindestens einen Kanal mit einem Ventil verbunden ist, der Luftbehälter sich vollständig im Wasser oder im teilweise getauchten Zustand befindet, der Luftbehälter vollständig mit Luft oder mit Luft und Wasser im beliebigen Verhältnis gefüllt ist. Weiterhin besteht die Lösung der Aufgabe darin, dass der Luftbehälter mit Hilfe eines Seils mit einer Seilwinde verbunden ist, die einen elektrischen Antrieb aufweist, dass sich der Luftbehälter im Wasser an einem durch die jeweilige Seillänge definierten Ort zwischen dem See-, Meeres- oder Behältergrund und dem Wasserspiegel befindet und dass der elektrische Windenantrieb sowohl als Elektromotor wie auch als elektrischer Generator betrieben werden kann.
  • Die Lösung der Aufgabe für das Verfahren zum Betreiben von Gravitations-Energie-Speicher-Systemen unterstellt, dass folgender Betriebszyklus stattfindet:
    • a. Der Luftbehälter (1) wird mit Luft gefüllt.
    • b. Der Luftbehälter (1) sinkt im Wasser und füllt sich dabei kontinuierlich oder zu einem beliebigen Zeitpunkt während des mechanisch bzw. durch einen Nettoabtrieb unterstützten Tauchvorgangs mit Wasser wobei die dabei entstehende Wasserströmung eine Turbine bzw. einen hydraulischen Motor mit elektrischem Generator (6) antreibt und elektrischen Strom produziert.
    • c. Der Luftbehälter (1) steigt durch seinen Nettoauftrieb bzw. mechanisch unterstützt im Wasser und entleert sich dabei infolge Ausdehnung der komprimierten Luft entweder kontinuierlich oder zu einem beliebig wählbaren Zeitpunkt während des Aufstiegs, wobei das in die Umgebung des Behälters (1) ausfließende Wasser eine Turbine bzw. einen hydraulischen Motor mit elektrischem Generator (6) antreibt und dabei elektrischen Strom produziert.
  • Weiterhin besteht die Lösung der Aufgabe für das Verfahren zum Betreiben von Gravitations-Energie-Speicher-Systemen darin, dass der Luftbehälter (1) mit Hilfe einer am Seegrund (3) verankerten Seilwinde (4) mit elektrischem Antrieb (5) nach unten gezogen wird, wobei der mit dem Seil (2) verbundene Luftbehälter eine positive Auftriebskraft erzeugt, dass die Abstiegs- und die Aufstiegzeit unabhängig voneinander regulierbar sind, dass die Strömungsgeschwindigkeit bei der Wasserbefüllung und Wasserentleerung und damit die Produktion elektrischen Stroms regulierbar sind und somit die Dauer der Stromproduktion beliebige Zeitanteile am operationellen Zyklus einnehmen kann, dass der Luftbehälter (1) mit Hilfe einer an einem Schiff (17) verankerten Seilwinde mit elektrischem Antrieb (5) mittel einer am Seegrund befestigten Umlenkrolle nach unten gezogen wird, wobei der mit dem Seil (2) verbundene Luftbehälter stets eine positive Auftriebskraft erzeugt und dass der Luftbehälter (1) in einem am Seegrund (3) verankertem Führungsgestell vertikal mit Hilfe eines elektrischen Motors, der auch als elektrischer Generator betrieben werden kann, geführt wird.
  • Vorteile der Erfindung
  • Folgende stellt zusammenfassend die Hauptvorteile des vorgeschlagenen Systems dem Stand der Technik gegenüber.
    Pumpspeicherkraftwerk Druckluftspeicherkraftwerk „Energy Bag” GESS
    Wirkungsgrad 80% 40% 40% > 80%
    Kompressoren (Pumpen) Ja Ja Ja Nein
    Energierekuperation Nein Nein Nein Ja
    Bodeninfrastrukturbedarf Hoch Hoch Gering Gering
    Anlagenmobilität Nein Nein Ja Ja
  • Weiter Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik:
    • • Keine Verluste bei Langzeitspeicherung
    • • Kurze Anfahrzeiten
    • • Große betriebliche Flexibilität (Leistungsabgabe variabel)
    • • Keine Kompressoren (Pumpen) mit geringem Wirkungsgrad benötigt
    • • Bereitstellung von Grundlast- und Spitzenlastenergie mit unterschiedlichen Bedarfsperioden (Tag/Nacht, Saisonal)
    • • Standortflexibilität (künstliches oder natürliches Wasserreservoir)
    • • Geringer Entwicklungsaufwand, schnell realisierbar
    • • Flexibel skalierbar (Leistung, Speicherinhalt)
    • • Große Einsatzflexibilität (Ein oder mehrere Zyklen in Tagesgang)
    • • Geringes Realisierungsrisiko (sämtliche Komponenten sind industriell verfügbar und weisen große technologische Reife auf)
  • Beschreibung von Ausführungsbeispielen
  • Die Einrichtung wird durch die im Anhang befindlichen Skizzen näher erläutert.
  • 1 zeigt die Hauptkomponenten des Speichersystems,
  • 2 und 3 zeigen die Funktion der Turbinen-Generator-Ventil-Einheit während der Abstiegs- und der Aufstiegsphase.
  • 4 zeigt Funktion des Speichersystems mit Stromgenerierung während der Abstiegs- und Aufstiegsphase.
  • 5 zeigt Funktion des Speichersystems mit Stromgenerierung während der Abstiegs- und nach der Aufstiegsphase.
  • 6 zeigt Funktion des Speichersystems mit Stromgenerierung nach der Abstiegs- und während der Aufstiegsphase.
  • 7 zeigt eine mögliche Betriebsform des Speichersystems an Bord eines Schiffs oder einer Ölplattform.
  • 8 zeigt eine mögliche Installationsform des Speichersystems in Verbindung mit einer Windenergieanlage.
  • 9 zeigt eine mögliche Installationsform des Speichersystems mit am Seegrund verankertem Führungsgestell.
  • 10 zeigt ein alternatives Konstruktionsprinzip der Turbinen-Generator-Ventileinheit als hydraulischer Motor der Ausführung als Zahnradpumpe.
  • In den 1 bis 7 sind einige mögliche Ausführungsbeispiele der Einrichtung dargestellt.
  • Die 1 zeigt ein Speichersystem, bestehend aus einem Luftbehälter (vorzugsweise kugelförmig) (1), Seil (2) (vorteilhaft als Mehrleinensystem ausgeführt, um die Seilkräfte netzförmig in den Behälter (1) einzuführen), einer am Seegrund (3) verankerten Seilwinde (4) mit elektrischem Antrieb (5) mit kombinierter Motor-Generatorfunktion und einer Turbinen-Generator-Ventil-Einheit (6) an der unteren Luftbehälterseite (1). Im Luftbehälter befindet sich Luft (7) und Wasser (8). Der Luftbehälter befindet sich im Wasser zwischen Seegrund (3) und Seespiegel (9).
  • Die 2 und 3 zeigen das Prinzip einer Turbinen-Generator-Ventil-Einheit (6) während der Abstiegsphase (2) und der Aufstiegsphase (3), bestehend aus einem Gehäuse (10) das mit dem Luftbehälter (1) verbunden ist. Im Gehäuse (10) sind zwei Kanäle (11) und (12) so angeordnet, dass diese den Behälterinnenraum mit der Umgebung verbinden. Die Ventile 13, 14, 15 und 16 ermöglichen durch jeweils paarweise Aktivierung die Regulierung des Durchflusses durch die Turbine (17). Die Ventile (13) und (14) sind dabei in der Abstiegsphase (2) geschlossen und in der Aufstiegsphase (3) offen. Die Ventile (15) und (16) sind in der Abstiegsphase (2) offen und in der Aufstiegsphase (3) geschlossen. Im Gehäuse (10) befindet sich die Turbine (vorteilhaft als Pelton- oder Francis-Turbine mit großem Wirkungsgrad ausgeführt).
  • Die 7 zeigt eine mögliche Betriebsform des Speichersystems an Bord eines Schiffs oder einer Ölplattform, gekennzeichnet dadurch, dass der Behälter einen negativen Nettoauftrieb (Masse > hydrostatischer Auftrieb) aufweist und mittels Seil (2) in seiner Tauchtiefe verlagert werden kann. Der Behälter (1) wird im befüllten Stadium per Seilwinde an den Wasserspiegel gehoben.
  • Die 8 zeigt ein Speichersystem, welches in Verbindung mit einer off-shore-Windenergieanlage betrieben wird, bestehend aus dem Windenergiegenerator (18) sowie dem Turm (19), welcher mittels einer Gründung (20) im Seeboden (3) verankert ist. Zwei Behälter (1), die eine Containerform aufweisen, werden hierbei mittels eines Hebemechanismus (21) am Turm (19) vertikal geführt. Der Hebemechanismus (21) übernimmt hierbei die Funktion der Winde (4) und ist wie diese mit einer elektrischen Motor-Generatorfunktion ausgestattet.
  • Die 9 zeigt ein Speichersystem, bestehend aus mindestens zwei Türmen (22), welche mittels Befestigungselementen (20) im Seeboden (3) verankert sind. Der Luftbehälter (1) wird zwischen den Türmen (22) mittels eines Hebemechanismus (23) vertikal geführt, der mit einer elektrischen Motor-Generatoreinheit (nicht gezeigt) ausgestattet ist. Der Hebemechanismus kann auch durch Wellen verursachte Vertikalbewegungen von Schwimmkörpern (25) angetrieben werden, die von den Türmen geführt werden. Dieses kann mit Hilfe eines Zahnstangen-Umkehrgetriebes geschehen. Auf diese Weise kann die Anlage sowohl die Funktion eines Energiespeichers als auch die eines Wellenkraftwerks darstellen. Luft (7) und Wasser (8) können innerhalb des Luftbehälters (1) durch eine gasdichte Membran (24) getrennt werden.
  • Die 10 zeigt ein alternativ mögliches Konstruktionsprinzip für die Turbinen-Generator-Ventil-Einheit (6) auf der Basis eines hydraulischen Motors in der Ausführung als Zahnradpumpe (26). Dieser treibt einen elektrischen Generator (nicht sichtbar) an. Die Einheit weist ferner das Motorgehäuse (10) sowie das Ventil (14) auf. Der Kanal (11) ist so angeordnet, dass er den Behälterinnenraum mit der Umgebung verbindet. Das Ventil (14) ermöglicht eine Regulierung des Durchflusses durch den hydraulischen Motor. Da dieses Energiewandlungsprinzip gleichwertig bidirektional betrieben werden kann, weist die Gesamtkonstruktion weniger Komplexität als die beim Einsatz einer Wasserturbine auf.
  • Anwendungsbeispiele
  • Ein Betriebszyklus des Speichersystems könnte folgende Merkmale ausweisen:
  • Beispiel 1 (Fig. 4)
  • Zeitpunkt T0
  • Der Behälter befindet sich in der Ausgangslage in getauchter Lage. Der hydrostatische Wasserdruck in dieser Tiefe hat den Behälter teilweise mit Wasser gefüllt und damit die in diesem befindliche Luft komprimiert.
  • Zeitpunkt T1
  • Der Behälter wird durch die Winde unter Einsatz von elektrischer Energie in Richtung Seegrund gezogen. Der mit der Tauchtiefe zunehmende hydrostatische Druck sorgt für eine weitere Kompression der Luft und damit für die Befüllung mit Wasser sowie zu einer Abnahme des Nettoauftriebs (hydrostatischer Auftrieb minus Systemmasse). Dabei wird kontinuierlich ein Teil der adiabatischen Kompressionswärme an das umgebende Wasser abgegeben. Möglich wäre eine teilweise Rückgewinnung der Antriebsenergie, wenn die Druckenergie bei der Befüllung des Behälters mittels der Turbinen-Generator-Kombination in elektrischen Strom gewandelt würde. Allerdings ist dieser Energiebeitrag vergleichsweise gering.
  • Zeitpunkt T2
  • Der Behälter hat seine tiefste Lage erreicht, bei der gerade noch ein Restauftrieb vorhanden ist. Die Luft ist auf ihr minimales (erwärmtes) Volumen komprimiert.
  • Zeitpunkt T3
  • Durch weitere Abkühlung auf Wassertemperatur wird das Luftvolumen, je nach Aufenthaltsdauer, weiter verringert und das gespeicherte Wasservolumen vergrößert.
  • Zeitpunkt T4
  • Der Behälter steigt aufgrund seines Restauftriebs wieder in die Ausgangslage (T1) zurück, wobei der die sich dabei ausdehnende Luft das Wasser wieder in die Umgebung zurücktreibt und dabei mit der Hilfe der Turbinen-Generator-Ventil-Einheit in mittels Ventilöffnung geregelter oder ungeregelter Weise Druckenergie in elektrische Energie wandelt. Gleichzeitig wird mittels des Generators an der Winde elektrische Energie bei konstanter Aufstiegsgeschwindigkeit zurück gewonnen.
  • Zeitpunkt T5
  • Die Luft hat sich entsprechend des Wasserdrucks in dieser Lage wieder auf den Zustand zum Zeitpunkt T0 expandiert und das System steht für einen weiteren Zyklus zur Verfügung.
  • Beispiel 2 – (Fig. 5)
  • Zeitpunkt T0
  • Der Behälter befindet sich in der Ausgangslage in getauchter Lage. Der hydrostatische Wasserdruck in dieser Tiefe hat den Behälter teilweise mit Wasser gefüllt und damit die in diesem befindliche Luft komprimiert.
  • Zeitpunkt T1
  • Der Behälter wird durch die Winde unter Einsatz von elektrischer Energie in Richtung Seegrund gezogen. Der mit der Tauchtiefe zunehmende hydrostatische Druck sorgt für eine weitere Kompression der Luft und damit für die Befüllung mit Wasser sowie zu einer Abnahme des Nettoauftriebs (hydrostatischer Auftrieb minus Systemmasse). Dabei wird kontinuierlich ein Teil der adiabatischen Kompressionswärme an das umgebende Wasser abgegeben. Möglich wäre eine teilweise Rückgewinnung der Antriebsenergie, wenn die Druckenergie bei der Befüllung des Behälters mittels der Turbinen-Generator-Kombination in elektrischen Strom gewandelt würde. Allerdings ist dieser Energiebeitrag vergleichsweise gering.
  • Zeitpunkt T2
  • Der Behälter hat seine tiefste Lage erreicht, bei der gerade noch ein Restauftrieb vorhanden ist. Die Luft ist auf ihr minimales (erwärmtes) Volumen komprimiert.
  • Zeitpunkt T3
  • Durch weitere Abkühlung auf Wassertemperatur wird das Luftvolumen, je nach Aufenthaltsdauer, weiter verringert und das gespeicherte Wasservolumen vergrößert.
  • Zeitpunkt T4
  • Der Behälter steigt aufgrund seines Restauftriebs wieder in die Ausgangslage (T1) zurück, wobei der Maximaldruck bei geschlossenen Ventilen erhalten bleibt. Gleichzeitig wird mittels des Generators an der Winde elektrische Energie bei konstanter Aufstiegsgeschwindigkeit zurück gewonnen.
  • Zeitpunkt T5
  • Der Behälter befindet sich wieder in der Ausgangslage, die gespeicherte Druckenergie steht bis zum Bedarfsfall zur Nutzung bereit.
  • Zeitpunkt T6
  • In der Ausgangslage wird das Wasser im Behälter infolge des gespeicherten Innendrucks durch die Turbinen-Generator-Kombination in die Umgebung zurück gedrückt und so die im Druck gespeicherte Energie nach Maßgabe der Ventilöffnung zurück gewonnnen.
  • Zeitpunkt T7
  • Die Luft hat sich entsprechend des Wasserdrucks in dieser Lage wieder auf den Zustand zum Zeitpunkt T0 expandiert und das System steht für einen weiteren Zyklus zur Verfügung.
  • Beispiel 3 – (Fig. 6)
  • Zeitpunkt T0
  • Der Behälter befindet sich in der Ausgangslage in getauchter Lage. Der hydrostatische Wasserdruck in dieser Tiefe hat den Behälter teilweise mit Wasser gefüllt und damit die in diesem befindliche Luft komprimiert.
  • Zeitpunkt T1
  • Der Behälter wird durch die Winde unter Einsatz von elektrischer Energie in Richtung Seegrund gezogen. Da die Ventile geschlossen bleiben, bleibt der Luftdruck im Behälter auf dem Niveau des Zeitpunkt T0.
  • Zeitpunkt T2
  • Der Behälter hat seine tiefste Lage erreicht, bei der gerade noch ein Restauftrieb vorhanden ist. Durch geregeltes oder ungeregeltes Öffnen der Ventile strömt infolge des hydrostatischen Drucks Wasser in den Behälter und komprimiert dabei die Luft auf ihr minimales (erwärmtes) Volumen. Gleichzeitig wird bei der Durchströmung der Turbinen-Generator-Ventil-Einheit Druckenergie in elektrische Energie gewandelt, die einen (geringen) Teil der Windenenergie wieder kompensiert.
  • Zeitpunkt T3
  • Durch weitere Abkühlung auf Wassertemperatur wird das Luftvolumen, je nach Aufenthaltsdauer, weiter verringert und das gespeicherte Wasservolumen vergrößert.
  • Zeitpunkt T4
  • Der Behälter steigt aufgrund seines Restauftriebs wieder in die Ausgangslage (T1) zurück, wobei der Maximaldruck bei geschlossenen Ventilen erhalten bleibt. Gleichzeitig wird mittels des Generators an der Winde elektrische Energie bei konstanter Aufstiegsgeschwindigkeit zurück gewonnen.
  • Zeitpunkt T5
  • Der Behälter befindet sich wieder in der Ausgangslage, die gespeicherte Druckenergie steht bis zum Bedarfsfall zur Nutzung bereit.
  • Zeitpunkt T6
  • In der Ausgangslage wird das Wasser im Behälter infolge des gespeicherten Innendrucks durch die Turbinen-Generator-Kombination in die Umgebung zurück gedrückt und so die im Druck gespeicherte Energie nach Maßgabe der Ventilöffnung zurück gewonnnen.
  • Zeitpunkt T7
  • Die Luft hat sich entsprechend des Wasserdrucks in dieser Lage wieder auf den Zustand zum Zeitpunkt T0 expandiert und das System steht für einen weiteren Zyklus zur Verfügung.
  • Beispiel 4 – (Fig. 7)
  • Zeitpunkt T0
  • Der Behälter befindet sich in der Ausgangslage in getauchter Lage in einer Wassertiefe, bei der kein Auftrieb mehr vorhanden ist. Er hängt an einem Tragseil, welches mit Hilfe einer Seilwinde an einem Schiff befestigt ist. Der hydrostatische Wasserdruck in dieser Tiefe hat den Behälter teilweise mit Wasser gefüllt und damit die in diesem befindliche Luft komprimiert. Der Restauftrieb des zunächst leicht komprimierten Gases ist dabei geringer als die Systemmasse. Ggf. wird diese Kondition mit Hilfe von Ballast sicher gestellt.
  • Zeitpunkt T1
  • Der Behälter wird durch den Abtrieb in Richtung Seegrund gezogen. Der mit der Tauchtiefe zunehmende hydrostatische Druck sorgt für eine weitere Kompression der Luft und damit für die Befüllung mit Wasser sowie zu einer weiteren Abnahme des Abtriebs (hydrostatischer Auftrieb minus Systemmasse). Dabei erzeugt der aus einer Motor-Generator-Kombination bestehende Antrieb der Seilwinde elektrischen Strom und es wird kontinuierlich ein Teil der adiabatischen Kompressionswärme an das umgebende Wasser abgegeben. Möglich wäre eine teilweise Erhöhung der abgegebenen Leistung, wenn die Druckenergie bei der Befüllung des Behälters mittels der Turbinen-Generator-Kombination in elektrischen Strom gewandelt würde. Allerdings ist dieser Energiebeitrag vergleichsweise gering.
  • Zeitpunkt T2
  • Der Behälter hat seine tiefste Lage erreicht. Die Luft ist auf ihr minimales (erwärmtes) Volumen komprimiert.
  • Zeitpunkt T3
  • Der Behälter wird unter Einsatz des Windenantriebs wieder in die Ausgangslage (T1) zurück gezogen, wobei der Maximaldruck bei geschlossenen Ventilen erhalten bleibt. Der Behälter befindet sich wieder in der Ausgangslage, die gespeicherte Druckenergie steht bis zum Bedarfsfall zur Nutzung bereit.
  • Zeitpunkt T4
  • In der Ausgangslage wird das Wasser im Behälter infolge des gespeicherten Innendrucks durch die Turbinen-Generator-Kombination in die Umgebung zurück gedrückt und so die im Druck gespeicherte Energie zurück gewonnnen. Dabei expandiert die Luft nach Maßgabe der Ventilöffnung frei bzw. so geregelt, dass eine konstante Leitung abgegeben wird, wieder auf den Zustand zum Zeitpunkt T0 und das System steht für einen weiteren Zyklus zur Verfügung.
  • Weitere mögliche Ausführungsformen
  • Es ist grundsätzlich möglich dieses Speichersystem auch in anderen Ausführungsformen bei gleichem Grundprinzip zu realisieren. Dazu gehört die Positionierung der Winde in einem Schiff und die Umlenkung des Seils mittels einer am Seegrund befestigten Umlenkrolle, bzw. der Betrieb im Tiefenbereich mit negativen Nettoauftrieben (große Systemmasse bzw. zusätzlicher Ballast). Die Winde kann bei Verwendung einer am Seegrund installierten Umlenkrolle gleichwertig auch in den Behälter integriert sein. An Stelle einer mechanischen Verankerung der Winde oder der Umlenkrolle kommt auch eine dem Maximalauftrieb äquivalente Ballastmasse in Frage, um eine größtmögliche Anlagenmobilität zu gewährleisten.
  • Die nachstehende morphologische Tabelle zeigt zusammenfassend die Palette möglicher Ausführungsformen der Anlage.
    Merkmal Alternative 1 Alternative 2 Alternative 3
    Kesselmaterial Stahl Composite
    Kesselform Kugel Zylinder
    Kesseltyp Starr Flexibel
    Turbine Pelton-Turbine Francis-Turbine Hydraulischer Motor
    Energiequelle Netz Regenerative Energie
    Wasserreservoir Meer (See) Künstlich (Brunnenschacht)
    Verankerungsort Winde Meeres-(See-)Grund Wasserspiegel (Traggestell) Schiff
    Verankerungsort Umlenkrolle Meeres-(See-)Grund Wasserspiegel (Traggestell) Schiff
    Windenlage Meeres-(See-)Grund Integriert im Tank Schiff
    Volumenstrom Regulierbar (konst. Energiedichte) Konstant (variable Energiedichte)
    Druckenergie-Rückgewinnung Tankaufstiegsphase Tank in oberer Lage
    Energiequelle/-zeitraum Turbine (Sinkphase) Windengenerator (Steigphase) Turbine (Steigphase oder Hochlage)
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 03089819 A [0004]
    • JP 03188395 A [0005]
    • DE 19513817 B [0006]
    • DE 102008019504 A1 [0007]
    • US 20110169275 [0008]

Claims (10)

  1. Gravitations-Energie-Speicher-System, bestehend aus einem Luftbehälter (1), dadurch gekennzeichnet, dass • der Luftbehälter (1) an seiner Unterseite mit einer Turbine ausgestattet ist, die einen elektrischen Generator (6) antreibt, • die Turbine mit dem elektrischen Generator (6) zwischen Behälterinnenraum (1) und Umgebung (Wasser) installiert ist, • der Innerraum des Luftbehälters (1) mit der Umgebung (Wasser) durch mindestens einen Kanal (11) mit einem Ventil (14) verbunden ist, • der Luftbehälter (1) vollständig im Wasser (8) oder im teilweise getauchten Zustand befindet, • der Luftbehälter (1) vollständig mit Luft oder mit Luft und Wasser im beliebigen Verhältnis gefüllt ist.
  2. Gravitations-Energie-Speicher-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass • der Luftbehälter (1) mit Hilfe eines Seils (2) mit einer Seilwinde (4) mit elektrischem Antrieb (5) verbunden ist.
  3. Gravitations-Energie-Speicher-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass • der Luftbehälter (1) sich im Wasser zwischen dem See-, Meeres- oder Behältergrund (3) und dem Wasserspiegel (9) befindet.
  4. Gravitations-Energie-Speicher-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass • der elektrische Windenantrieb als Elektromotor oder als elektrischer Generator betrieben wird.
  5. Verfahren zum Betreiben von Gravitations-Energie-Speicher-Systemen dadurch gekennzeichnet, dass folgender Betriebszyklus stattfindet: a. Der Luftbehälter (1) wird mit Luft gefüllt. b. Der Luftbehälter (1) sinkt im Wasser und füllt sich dabei kontinuierlich oder zu einem beliebigen Zeitpunkt während des Tauchvorgangs mit Wasser wobei die dabei entstehende Wasserströmung die Turbine und mit dieser einen elektrischem Generator (6) antreibt und elektrischen Strom produziert. c. Der Luftbehälter (1) steigt im Wasser und entleert sich dabei infolge abnehmenden hydrostatischen Drucks sowie der damit verbundenen Ausdehnung der komprimierten Luft entweder während des Aufstiegs kontinuierlich oder zu einem beliebigen Zeitpunkt nach Erreichen der Ausgangstauchtiefe, wobei das in die Umgebung des Behälters (1) ausfließende Wasser eine Turbine und mit dieser einen elektrischem Generator (6) antreibt und dabei elektrischen Strom produziert.
  6. Verfahren zum Betreiben von Gravitations-Energie-Speicher-Systemen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass • der Luftbehälter (1) mit Hilfe einer am Seegrund (3) verankerten Seilwinde (4) mit elektrischem Antrieb (5) nach unten gezogen wird, wobei der mit dem Seil (2) verbundene Luftbehälter stets eine positive Auftriebskraft erzeugt.
  7. Verfahren zum Betreiben von Gravitations-Energie-Speicher-Systemen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass • die Abstiegs- und die Aufstiegzeit unabhängig voneinander regulierbar sind.
  8. Verfahren zum Betreiben von Gravitations-Energie-Speicher-Systemen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass • die Strömungsgeschwindigkeit bei der Wasserbefüllung und Wasserentleerung und damit die Produktion elektrischen Stroms regulierbar sind und somit die Dauer der Stromproduktion beliebige Zeitanteile am operationellen Zyklus einnehmen kann.
  9. Verfahren zum Betreiben von Gravitations-Energie-Speicher-Systemen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass • der Luftbehälter (1) mit Hilfe einer an einem Schiff (17) verankerten Seilwinde mit elektrischem Antrieb (5) mittel einer am Seegrund befestigten Umlenkrolle nach unten gezogen wird, wobei der mit dem Seil (2) verbundene Luftbehälter stets eine positive Auftriebskraft erzeugt.
  10. Verfahren zum Betreiben von Gravitations-Energie-Speicher-Systemen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass • der Luftbehälter (1) in einem am Seegrund (3) verankertem Führungsgestell vertikal mit Hilfe eines elektrischen Motors, der auch die Funktion eines Generators aufweist, geführt wird.
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Cited By (1)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3060668A1 (fr) * 2016-12-21 2018-06-22 Philippe Girault Systeme de production et de stockage d'energie.

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