DE102012003123A1

DE102012003123A1 - Verfahren zur Energiespeicherung in unterirdischen Hohlräumen sog. Kavernenspeicherwasserkraftwerk

Info

Publication number: DE102012003123A1
Application number: DE201210003123
Authority: DE
Inventors: Norbert Böhm; Wolfgang Littmann
Original assignee: NASSER BERG EN GmbH; NASSER BERG ENERGIE GmbH
Current assignee: Erneo Energiespeichersysteme GmbH
Priority date: 2012-02-16
Filing date: 2012-02-16
Publication date: 2013-08-22

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Speicherung von Energie in unterirdischen Hohlräumen in sog. Kavernenspeicherwasserkraftwerken. Die bisherige Energiespeicherung von Strom wird überwiegend durch Pumpspeicherwasserkraftwerke mit an der Oberfläche liegenden Wasserbecken erzielt. Weitere Möglichkeiten der Energiespeicherung sind durch Druckluftspeicherkraftwerke, Schwungräder und Batterien möglich. Das erfunden Verfahren ermöglicht die technische, ökonomische, ökologische und gesellschaftlich akzeptable Lösung zur Speicherung von potentieller Energie in einem Kavernenspeicherwasserkraftwerk. In der vorliegenden Erfindung werden als Ober- und Unterbecken jeweils eine oder mehrere Kavernen in unterschiedlicher Teufenlage genutzt. Die Wasserturbine zur Stromerzeugung wird dabei an der Oberfläche installiert, in einer die beiden als Becken dienenden Kavernen verbindenden leckagefreien Rohrleitung. Bei der Stromerzeugung sind die Fließgeschwindigkeit und die fließende Masse maßgebend. Die Fließgeschwindigkeit wird durch die Druckdifferenz zwischen den beiden Becken bestimmt. Beide Kavernen werden mit einer zusätzlichen Leitung verbunden, in der Gas pendeln kann. Die untere Kaverne kann über diese Leitung mit Druck durch einen Kompressor beaufschlagt werden und damit der flüssige Inhalt in die obere Kaverne entleert werden. Während des Entleerungsvorgangs wird die untere Kaverne mit komprimierter Luft aufgeladen. Diese Luft kann bei der Entspannung zusätzlich zur Stromerzeugung mittels einer Entspannungsturbine optional genutzt werden. Hierbei ist von Vorteil und neu, dass bei der Entspannung Wasser in die Kaverne geleitet werden kann und dabei der Druck in der Kaverne gehalten wird und es zu keiner Abkühlung beim Entspannungsvorgang in der Kaverne kommt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Speicherung von Energie in unterirdischen Hohlräumen.
Stand der Technik
Durch die steigende Verwendung regenerativer Energie wie Windkraft und Solarstrom, deren Einsatzmöglichkeit wetterbedingt sehr unregelmäßig ist, gewinnt die Notwendigkeit zur Speicherung von Energie immer größere Bedeutung.
Der mit regenerativen Methoden erzeugte Strom lässt sich elektrochemisch z. B. Batterien, Wasserstoffbrennzellen, chemisch durch die Umwandlung z. B. von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff in Zustände überführen, in denen Energie gespeichert werden kann. Eine weitere Möglichkeit ist die Speicherung als mechanische Energie. Hierzu kann z. B. Wasser in großen Mengen in eine höhere Lage gepumpt werden (sog. Pumpspeicher-wasserkraftwerke), ein Gas kann komprimiert werden (sog. Druckluftspeicherkraftwerke) oder die Energie kann in der Bewegung eines Kreisels oder als Federspannung gespeichert werden. Pumpspeicherwasserkraftwerke sind hierbei bisher an die geologischen obertägigen Bedingungen lokal gebunden und Neuprojekte stoßen aufgrund des sichtbaren Eingriffes in die Natur auf gesellschaftliche Akzeptanzprobleme. Druckluftspeicherkraftwerke sind wegen ihrer Untertageinstallation der Hohlräume gesellschaftlich akzeptabel, jedoch weisen solche Systeme bisher sehr niedrige Wirkungsgrade und somit eine geringe Energieeffizienz aus. Der technische Einsatz von Federspann- oder Schwungrädern ist auf eine sehr geringe zeitliche Nutzung eingeschränkt. Untertageenergiespeicher in Form von Pumpspeicherkraftwerken, die auf das bekannte Pumpsystem zu-rückgreifen, sind aufgrund ihrer hohen technischen Anforderungen – das gesamte Speicherkraftwerk unterirdisch nicht nur zu bauen, sondern auch zu betreiben und zu warten – mit geologischen Risiken und hohen finanziellen Bau- und Betriebskosten verbunden.
Für die Energiespeicherung in Kavernen wurde bereits die Komprimierung von Luft vorgeschlagen. Hierbei wird Luft in eine Kaverne gepresst und wenn erforderlich diese Luft über eine Entspannungsturbine geleitet. Die Entspannungsenergie wird dabei in Strom umgewandelt. Diese Technik hat kleine Wirkungsgrade, da sich die entspannte Luft sowohl in der Kaverne als auch in der Turbine abkühlt. Hierdurch wird die Fahrweise in der Kaverne begrenzt und die Luft muss vor der Entspannung in der Turbine aufgeheizt werden. Während des Speichervorgangs wiederum muss die Luft gekühlt werden. Um den Wirkungsgrad solcher Anlagen zu erhöhen wurde eine Zwischenspeicherung der Wärme vorgeschlagen.
Eine weitere Möglichkeit der Stromspeicherung sind, wie erwähnt, Pumpspeicherwasserkraftwerke. Hierbei wird Wasser auf ein höheres Niveau gepumpt und bei Bedarf wird durch den Durchfluss in das niedrigere Höhenniveau in einer Wasserturbine Strom erzeugt. Der Nachteil dieser Technik ist, dass sie vorzugsweise nur in Landschaften mit entsprechenden Höhenunterschieden bisher Anwendung findet.
In Landschaften wie der norddeutschen Tiefebene oder auf offener See, wo ein großer Teil der Windenergie erzeugt wird, erweist sich der Einsatz von konventionellen Verfahren für Pumpspeicherwasserkraftwerken als schwierig.
Es ist daher naheliegend, wenn eine natürliche Erhöhung nicht vorliegt, diese künstlich zu schaffen. So kann man z. B. aufgelassene Bergwerke zur Erzeugung des notwendigen Gefälles nutzen. Hierbei muss allerdings die zur Stromerzeugung notwendige Turbine und das Pumpwerk Untertage untergebracht werden. Das sogenannte Oberbecken wiederum muss Obertage angelegt werden, was zu Umweltproblemen bzw. Akzeptanzproblemen führen kann.
Aufgabenstellung
Die hier beschriebene Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Speicherung von potentieller Energie in einem sog. Kavernenspeicherwasserkraftwerk.
Die Aufgabenstellung war es, bei einem bestehenden lokalen Speicherbedarf ein Speicherkraftwerksverfahren zu erfinden, welches die technischen, ökonomischen, ökologischen und zusätzlich gesellschaftlichen Anforderungen berücksichtigt und umsetzt. Gleichzeitig musste für die praktikable Umsetzung des neuen Verfahrens bei den einzelnen Komponenten auf möglichst technisch machbare Einzelkomponenten zurückgegriffen werden. Es wurde somit ein neues Verfahren entwickelt, welches auf Erkenntnisse und Erfahrungen im Bereich Pumpspeicherwasserkraftwerke und im Bereich Kohlenwasserstoffspeicherung in unterirdischen künstlichen Kavernen in Salzstocken zurückgreift.
Die Speicherung von Erdgas, Erdöl oder anderen Stoffen in unterirdischen Hohlräumen ist eine Technik, die seit ca. 50 Jahren genutzt wird. Als besonders geeignet haben sich hierfür künstliche Kavernen in natürlichen Salzstöcken gezeigt. Diese Kavernen können auf einfache Art in den zahlreich in z. B. Norddeutschland vorhandenen Salzstöcken durch Aussolung mit Süßwasser erstellt werden.
In der vorliegenden Erfindung werden als Ober- und Unterbecken jeweils eine oder mehrere Kavernen in unterschiedlicher Teufenlage genutzt. Die Wasserturbine zur Stromerzeugung wird dabei nicht Untertage installiert, sondern an der Oberfläche, in einer die beiden als Becken dienenden Kavernen verbindenden Rohrleitung. Bei der Stromerzeugung sind die Fließgeschwindigkeit und die fließende Masse maßgebend. Die Fließgeschwindigkeit wird durch die Druckdifferenz zwischen den beiden Becken bestimmt. Es ist dabei wichtig, dass die Becken leckagefrei durch die Rohrleitung miteinander verbunden sind.
Beide Kavernen werden mit einer zusätzlichen Leitung verbunden, in der Gas pendeln kann. Die untere Kaverne kann über diese Leitung mit Druck beaufschlagt werden und damit der flüssige Inhalt in die obere Kaverne entleert werden.
Während des Entleerungsvorgangs wird die untere Kaverne mit komprimierter Luft aufgeladen. Diese Luft kann bei der Entspannung zusätzlich zur Stromerzeugung mittels einer Entspannungsturbine optional genutzt werden. Hierbei ist von Vorteil und neu, dass bei der Entspannung Wasser in die Kaverne geleitet werden kann und dabei der Druck in der Kaverne gehalten wird und es zu keiner Abkühlung beim Entspannungsvorgang in der Kaverne kommt. Bei der Entspannung ist dann nur noch die Wärme dem Prozess zuzuführen, die in der Entspannungsturbine benötigt wird.
Durch die Kombination von Pumpspeicherkraftwerk und komprimierter Luft wird der Hohlraum besser genutzt, beide Prozesse werden effizienter und der Gesamtwirkungsgrad wird erhöht.
Ausführungsbeispiel
Eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung (1) dargestellt.
Die Zeichnung zeigt eine Ausführungsform eines Kavernenspeicherwasserkraftwerkes für die Energiespeicherung in unterirdischen Hohlräumen. In natürlichen Salzstöcken (9) sind Untertage künstliche Kavernen als Oberbecken (4) und Unterbecken (5) mit einer gewissen Höhendifferenz (6) hergestellt und diese durch leckagefreie Rohrleitungen für Gas (8) und Flüssigkeit (7) miteinander über die Kraftwerkseinrichtung, bestehend aus Wasserturbine (1), Gaskompression (2) und optionale Entspannungsturbine (3), miteinander verbunden.
Bezugszeichenliste

1: Wasserturbine
2: Gaskompression
3: Entspannungsturbine
4: Obere Kaverne (Oberbecken)
5: Untere Kaverne (Unterbecken)
6: Höhendifferenz
7: Flüssigkeit
8: Gas
9: Salzstock

Claims

Verfahren zur Energiespeicherung in unterirdischen Hohlräumen – sog. Kavernenspeicherwasserkraftwerk – dadurch gekennzeichnet, dass a. die Energie als potentielle Energie nach dem Pumpspeicherverfahren gespeichert wird und als Flüssigkeit gesättigte Salzsole (7) verwendet wird, b. als Ober- bzw. Unterbecken (4, 5) künstlich hergestellte Kavernen in natürlichen Salzformationen (9) verwendet werden, wobei die Kavernen hierbei mit einer geeignet dimensionierten Rohrleitung leckagefrei miteinander verbunden werden, so dass die gesamte technische Anlage zum Pumpen (2) und zur Stromerzeugung (1) nicht wie naheliegend Untertage, sondern an der Oberfläche angeordnet wird, c. dass zum Hochpumpen der Sole komprimierte Luft (8) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Hochpumpen verwendete komprimierte Luft bei der Entspannung zur Stromerzeugung (3) verwendet werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das durch das Einleiten von Wasser/Sole (7) in eine Kaverne während der Entspannung von komprimierter Luft (8) die Abkühlung reduziert wird, der Spielraum für das Fahren der Kaverne (Druckabsenkung bzw. Temperaturabsenkung pro Zeiteinheit) erweitert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass anstatt Luft (8) auch andere Gase verwendet werden können.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass anstatt Salzsole (7) auch andere Flüssigkeiten verwendet werden können.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeicherung in einer oder parallel in mehreren Kavernen (4, 5) erfolgen kann.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Höhenunterschied (6) zwischen den Kavernen variieren kann.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass als Oberbecken (4) auch ein obertägiges Reservoir verwendet werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1 (c) dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Kompression der Luft entstehende Wärme über einen Wärmetauscher ganz oder teilweise mit der aus der unteren Kaverne (5) ausgeförderten Flüssigkeit abgeführt wird und in der oberen Kaverne (4) als Wärme gespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass während der Entspannung der Luft aus der unteren Kaverne (5) die Luft über einen Wärmetauscher im Gegenstrom mit der aus der oberen Kaverne (4) entnommenen Flüssigkeit vorgewärmt wird, so dass die bei der Entspannung eintretende Temperaturabsenkung ganz oder teilwiese kompensiert wird.