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Die Erfindung betrifft eine Energiespeicheranlage, die einen Druckgasbehälter zur Aufnahme und Speicherung von Druckgas, einen mit zur Verfügung stehender Energie betriebenen Verdichter zum Aufladen des Druckgasbehälters mit Druckgas und einen Drehmomenterzeuger zur Umwandlung von Druck des Druckgases in mechanische Bewegungsenergie umfasst, wobei dem Drehmomenterzeuger ein Stromgenerator nachgeschaltet ist, der die mechanische Bewegungsenergie des Drehmomenterzeugers in elektrischen Strom umwandeln und dem öffentlichen Strom-Netz zuführen kann.
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Energiespeicheranlagen wurden auf dem Innovationstag Energie 2007/Cottbus „Speichertechnologien/Adiabates Druckluftspeicher-Kraftwerk” von einem Konsortium für Advanced_Adiabat-Compressed_Air_Energy_Storage AA-CAES vorgestellt.
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Energiespeichertechniken sind sehr gefragt, weil eine direkte Stromspeicherung in größeren Mengen kaum realisierbar ist. Der Energieverbrauch verläuft aber immer kurvenreich mit vielen verteilten Maxima und Minima. Ausgeprägte Unterschiede sind im Vergleich von Tag- und Nachtbedarf vorhanden. Pumpkraftspeicherwerke sind hier bisher die Ausgleichstechnologie, die zwischen Verbrauch (Pumpenbetrieb) und Stromerzeugung (Generatorbetrieb) in kürzester Zeit umschalten können und damit Angebot und Nachfrage auf das gleiche Niveau bringen können. Genutzt wird hier die gespeicherte potentielle Energie einer Wassersäule im Triebwasserstollen, der mit einem Stausee verbunden ist. Diese Art von Energiespeicherung setzt geologische und geografische Gegebenheiten voraus, die zum Beispiel in den Alpen bestens gegeben sind.
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Mit dem technischen Fortschritt der Windräder oder auch der Solartechnik entsteht die elektrische Energie jedoch zeitlich unbestimmt und örtlich durchaus im Flachland oder im offshore Windpark. Natürlich nutzbare Energiespeicher sind hier kaum vorhanden und für die Weiterleitung der elektrischen Energie benötigt man ein Überlandleitungsnetz mit großer Transportkapazität, das auch Spitzenlasten weit verteilen kann. Es sind aber gerade die kleineren und örtlich verteilten Energieerzeugungsanlagen, welche die geforderten Spitzenlasten örtlich begrenzt abdecken könnten, falls sie zum richtigen Zeitpunkt gespeicherte Energieals Strom ins öffentliche Netz einspeisen könnten.
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Der oben zitierte Vortrag skizziert die Arbeitsweise eines CAES in Huntdorf (hier abgekürzt: CAES_HT) realisierten Druckluftspeicherkraftwerkes. Als Druckluftspeicher werden großvolumige Kavernen genutzt, wobei sich der Druck im Betrieb zwischen 50 und 70 bar bewegt. Der Druck wird mittels eines Kompressors aufgebaut, der durch eine Motor/Generator Einheit im Motorbetrieb angetrieben wird. Zur Stromerzeugung (Generatorbetrieb) wird diese Einheit mit dem erzeugten Drehmoment einer Gasturbine gekoppelt, die zusätzlich zur genutzten Druckluft mit Erdgas betrieben wird.
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Eine weitere zitierte A-CAES Anlage, Mcintosh, (hier abgekürzt: CAES_MC) nutzt die bei der Verbrennung des fossilen Gases in einer Turbine entstehende Abwärme durch einen Rekuperator (Vorwärmen der Druckluft) Ein weiteres zitiertes, von der EU gefördertes AA-CAES Projekt in Form einer Studie (hier abgekürzt: CAES_EU), kommt ohne fossile Gase aus.
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Nachteilig am CAES_HT ist die geologische und geografische Abhängigkeit von sehr großvolumigen Kavernen, deren Betriebsdruck mit 50 bis 70 bar relativ niedrig ist und damit den zusätzlichen Bedarf an fossilem Gas erforderlich macht. Damit ist eine Gasturbine als Drehmomenterzeuger notwendig. Ebenso könnten örtlich verteilte Energieerzeuger nur über das öffentliche Netz den Druckluftspeicher nutzen. Letztendlich ist an dieser Variante auch nachteilig, dass die Abwärme durch die Verbrennung von fossilem Gas und die Komprimierung der Umgebungsluft nicht zur Druckerhöhung im Druckluftspeicher genutzt wird.
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CAES_MC hat ebenfalls alle aufgezählten Nachteile des CAES_HT, bis auf die Nutzung der Abwärme zum Beispiel durch einen Rekuperator die in den Gasturbinen entsteht.
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CAES_EU arbeitet mit einer speziellen Expansionsturbine, die ohne zusätzliches fossiles Gas auskommt. Ansonsten sind auch hier die genannten Nachteile beständig.
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In der Patentliteratur sind über Offenlegungsschrift
US 4 353 214 A drei verschiedene Energiespeicheranlagen vorgeschlagen. Alle ähneln dem A-CAES am ehesten. Neu bei den ersten beiden Varianten ist, dass eine zweite größere Kaverne dazu benutzt wird, das Abgas am Turbinenausgang hier zu sammeln, wobei ein Kompressor auf seiner Ansaugseite vorverdichtetes Gas aus dieser zweiten Kaverne bezieht, statt Umgebungsluft anzusaugen. Die Nutzwirkung dieser Anordnung ist dadurch begrenzt dass einerseits der Druck in dieser zweiten Kaverne nicht zu groß sein darf, damit der Turbinendurchfluss nicht behindert wird . und anderseits ein niedriger Kavernendruck kaum zur Effektivitätssteigerung in der Kompression beiträgt. Die entscheidende Kaverne ist damit die erste mit dem hohen Arbeitsdruck von 50 bis 70 bar (5 bis 7 MN/m
2). Nachteilig ist dieser relativ niedrige Arbeitsdruck, weshalb auch gasbetriebene Turbinensysteme eingesetzt werden.
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In dieser Hinsicht unterscheiden sich die drei Anlagen in der Art und Herstellung des zugeführten Brenngases für eine typische Gasturbine (1. systemfremdes reaktives Gas; 2. durch Elektrolyse entstandenes H2 und O2; 3. endotherme Reaktion CH4 + H2O → CO + 3H2).
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In dem zweiten Vorschlag wird das fremdeingespeiste Brenngas ersetzt durch das im System elektrolytisch gewonnene H2, das in den Druckluftkreislauf eingeleitet wird und zwar in die zweite Niederdruckkaverne. Das gleichzeitig entstehende O2 wird in einem kleinen Sonderbehälter gespeichert und dann bei Bedarf in die Brennkammer geleitet um dort die Verbrennung zu unterstützen. Es sind also 3 getrennte Speicher im Einsatz. In den beiden Kavernen befindet sich ein mit H2 geimpftes Druckgas und wird wie im ersten Vorschlag in die erste Hochdruckkaverne verdichtet.
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Im dritten Vorschlag werden die Kavernen jeweils mit unterschiedlichen Gasen gefüllt und diese haben jeweils einen eigenen Massenkreislauf im System. In der Niederdruckkaverne befindet sich CH4, geliefert durch den Turbinenausgang und in der Hochdruckkaverne die durch endotherme Reaktion entstandene Gasmischung Druckluft, CO und H2, die vom Kompressor verdichtet wird. Bei der exothermen Reaktion CO + 3H2 → CH4 + H2O werden die energietragenden Komponenten der Hochdruckkaverne entnommen und das energiearme CH4 der Niederdruckkaverne zugeführt.
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Bei allen drei Varianten sind die geografische Abhängigkeit von vorhandenen Kavernen und deren einschränkende Arbeitsdruckbegrenzung gegeben.
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In der Offenlegungsschrift
US 2005/0109034 A1 wird ebenfalls eine mit einer Gasturbine betriebene Energiespeicheranlage des Typs A-CAES vorgeschlagen, die auch ein nicht näher spezifiziertes einteiliges Speichervolumen für Druckluft beinhaltet. Eine atmosphärische Brennkammer liefert dabei Wärme für einen Wärmetauscher, der das dem Speicher entnommene Druckgas vor der Turbine vorheizt. Ein weiterer Vorschlag platziert noch eine Hochdruckbrennkammer direkt vor den Turbineneingang um den Eingangsdruck hier noch einmal zu erhöhen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, eine Energiespeicheranlage der eingangs beschriebenen Art möglichst kostengünstig und mit einfachen technischen Mitteln so verbessern, dass die Energie sehr kompakt, aber dennoch betriebssicher auf engem Raum gespeichert und mit hoher Effizienz bei Bedarf wieder abgerufen werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß auf einfache, aber wirkungsvolle Weise dadurch gelöst, dass der Druckgasbehälter mehrere gegeneinander gasdicht verriegelbare Speicherkammern zur Aufnahme und Speicherung von Druckgasen mit jeweils unterschiedlichem Energieinhalt aufweist.
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Die Kammern können durch rein bautechnische Maßnahmen gasdicht abgeschlossen, das heißt ohne Überströmverbindung, ausgeführt sein. Der Verdichter im Ladebetrieb muss dann über einen Verteiler auf jede einzelne Kammer geschaltet werden, ebenso wie ein Verteiler die einzelnen Kammern auf den Drehmomentwandler im Generatorbetrieb zuschalten können muss.
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Bei einer bevorzugten Variante der Erfindung werden jedoch keine Verteiler benutzt und dafür die Kammern gasdicht verriegelbar ausgeführt. Dabei können Grenzdruckventile beim Erreichen des Grenzdruckes die Kammer gasdicht verriegeln und beim Unterschreiten die Kammer zur benachbarten Kammer öffnen. Kammern, die für den gleichen Maximaldruck ausgelegt sind, können durch eine Überströmöffnung verbunden sein, wobei die Wände dann nur noch statische Aufgaben zu erfüllen haben. Somit wird es möglich, dass der Verdichter im Ladebetrieb nur eine Kammer mit Druckgas füllt, wobei sich nach und nach andere Kammern gasdicht verriegeln. Im Generatorbetrieb öffnen sich die Grenzdruckventile wieder, bis alle Kammern unter den Minimaldruck für den Generatorbetrieb sinken.
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Die Energieinhalte sind hier im Wesentlichen durch drei Parameter bestimmt: Volumen, Druck und Temperatur, die pro Kammer unterschiedlich sein können. Als Druckgase kommen alle idealen Gase infrage, vorzugsweise jedoch die ungefährliche, natürlich vorhandene Umgebungsluft. Auf diese Weise kann genügend große Speicherkapazität für mehrere Tage bereitgestellt werden, die für Stromerzeugungsanlagen im Bereich von 10 MWh ausreicht. Die gespeicherte Energie kann auf „Knopfdruck” wieder abgerufen werden.
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Einen großen Vorteil hat die Druckgasbehälteranlage, wenn die Speicherkammern ausgehend von einer Zentralkammer im Druckgasbehälter mit dem Zentrum C von innen nach außen radial verschachtelt angeordnet sind. So lässt sich, nach außen abgeschirmt durch die Nachbarkammern, die Zentralkammer mit dem größten Gefährdungspotential – zum Beispiel mit dem höchsten Druck – geometrisch sicher platzieren.
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Eine statisch besonders stabile Form liegt dann vor, wenn die erfindungsgemäße Energiespeicheranlage gegen das räumliche Zentrum der Zentralkammer konvex ausgebauchte Behälterwände das heißt Bogenkonstruktion aufweist. Druckfeste Baumaterialien, wie zum Beispiel Stahlbeton haben hierdurch Vorteile. Denkbar sind hier auch Rotationskörperformen, dessen Querschnitte zum Beispiel in 1 dargestellt sind. Die Kammern 15.1; 15.2, sowie 15.3 und 15.4 und auch 15b; 15c wären dann jeweils die gleichen, nämlich ohne Zwischenwand.
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Die vorstehend beschriebene Bauform wirkt sich besonders vorteilhaft aus, wenn die Kammern mit Druckgas von jeweils unterschiedlichem Binnendruck gefüllt sind, und die Innendrücke ausgehend von einer Zentralkammer des Druckgasbehälters vom Zentrum nach außen hin abnehmen, das heißt vom Hochdruck G''' über den Mitteldruck G'' zum Niederdruck G'.
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Auf den Wänden der Kammern lastet dann jeweils nur der Differenzdruck der benachbarten Kammern. Die zentrale Kammer wird dabei mit dem höchsten Druck an den Drehmomentwandler angeschlossen und liegt nach außen abgeschirmt von Nachbarkammern im Kern der Anlage. Grenzdruckventile können den jeweiligen Maximaldruck der Kammern sicherstellen. Die zentrale Kammer kann bei Unterschreiten des Grenzdruckes im Generatorbetrieb Druck nachliefern.
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Eine weitere vorteilhafte Option der Energiespeicherung ergibt sich, wenn die Speicherkammern einer Energiespeicheranlage jeweils mit chemisch unterschiedlichem Druckgas gefüllt sind.
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Dies können fossile Gase sein, die durch ihre Verbrennung in einer Druckkammer, vorzugweise in der Zentralkammer, durch einen Temperaturanstieg den Druck im verbundenen Kammersystem erhöht.
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Bei einer ganz besonders bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform der Erfindung ist eine Elektrolysevorrichtung zur Aufspaltung von reinem Wasser in Wasserstoff G(H2) und Sauerstoff G(O2), vorgesehen. Der Druckgasbehälter hat nun mindestens drei gegeneinander gasdicht abgeschlossene Speicherkammern, von denen eine Kammer mit Sauerstoff G'(O2), eine andere mit Wasserstoff G'(H2) aus der Elektrolysevorrichtung und die Zentralkammer über den Verdichter mit Druckluft aufgeladen wird. Zusätzlicher Druck wird in der Zentralkammer durch Temperaturerhöhung aufgrund einer thermischen Reaktion von eingeleitetem Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch aus den beiden anderen Speicherkammern erzeugt. Wenn nur ein Verdichter eingesetzt wird, kann dieser sich über einen Verteiler mit entsprechenden Ventilen an die Gasleitungen G, G(O2), G(H2) ankoppeln und in der gleichen Art die entsprechenden Kammern mit Druckgas beaufschlagen. Bevorzugt wird aber, dass für den Wasserstoffstrang eine getrennte Verdichteranlage vorgesehen ist, um Sauberspülungen zu umgehen, die eine Entstehung gefährlicher Gasgemische verhindern sollen.
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In idealer Kombination mit einer Solaranlage, kann der von dieser gelieferte Gleichstrom unmittelbar zur Elektrolyse verwendet werden.
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Eine weiterführende Variante der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Energiespeicheranlage mit Elektrolyseeinrichtung sieht vor, dass der Druckgasbehälter mehrere gegeneinander nahezu adiabat und gasdicht verriegelbare Speicherkammern zur Herstellung und Speicherung von verflüssigten Druckgasen mit jeweils unterschiedlichem Energieinhalt aufweist. Dafür müssen für jede Sorte Gas eine Dilatationskammer bereitgestellt werden, wobei das Gas abgekühlt und neu verdichtet werden kann. Erreicht man den Verflüssigungszustand der Gase, kann man damit die Energiespeicherkapazität erheblich steigern. Für jede Sorte Gas muss das Kammerpaar gegenüber einer anderen Sorte jeweils gasdicht abgeschlossen sein.
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Während des Generatorbetriebes der Energiespeicheranlage kühlt sich der Druckgasbehälter durch das ausströmende Druckgas gleichzeitig erheblich ab, wenn nicht gleichzeitig Druckgas nachgeliefert wird. Diese natürlich bedingte Kälteerzeugung lässt sich optimal im Gasverflüssigungsprozess nutzen.
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Wenn Wasserstoff wie beschrieben gespeichert wird, lässt sich als Drehmomenterzeuger bei der erfindungsgemäßen Energiespeicheranlage auch ein Wasserstoff-Verbrennungsantrieb einsetzen. Eine Gasturbine kann zum Beispiel auch den gespeicherten Druck gleichzeitig in ein Drehmoment umwandeln. Dabei muss man zunächst von einem schlechten Wirkungsgrad ausgehen, wenn nicht die entstehende Abwärme als verwertbare mechanische Energie zurückgewonnen werden kann.
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Eine Klasse von Ausführungsformen der Erfindung zeichnet sich nun dadurch aus, dass die Energiespeicheranlage mindestens eine ganz oder teilweise mit einem Wärmetauscherfluid, vorzugsweise Wasser, gefüllte, wärmeisolierte Speicherkammer hat, die einen Wärmetauscher aufweist, der Abwärme von zu kühlenden Teilen der Energiespeicheranlage, vorzugsweise aber die Abwärme einer Gasverflüssigungsanlage zur Erhöhung der Fluidtemperatur nutzt und dabei den Gasdruck in einer Speicherkammer erhöht. Durch diese Maßnahme lässt sich der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Energiespeicheranlage beträchtlich erhöhen. Es ist aber ebenso denkbar, die Abwärme in eine Gebäude-Fernheizung einzuspeisen, wenn diese sich in räumlicher Nähe der Energiespeicheranlage befindet.
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Alle bisher beschriebenen Energiespeicheranlagen gehen von einer Installation der Energiespeicheranlage auf dem Festland mit einer teilweisen unterirdischen Bauweise aus. Im offshore Bereich jedoch lässt sich das umgebende Wasser vorteilhaft nutzen, wenn der Druckgasbehälter in einem See oder im Meer teilweise unter Wasser angeordnet ist und in seinem unter Wasser liegenden Bereich Druckausgleichsöffnungen zum Ein- oder Ausströmen von Wasser aufweist, und dass vorzugsweise in den Druckausgleichsöffnungen Wasserturbinen angeordnet sind, die durch in den Druckgasbehälter eindringendes Wasser angetrieben werden können.
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Durch den Einsatz von Grenzdruckventilen lassen sich wiederum unterschiedliche Drücke in den Kammern einstellen, wodurch der jeweilige Innen-Wasserspeigel durch den sich einstellenden Druck unterschiedlich tief absinkt. Eingebaute Wasserturbinen können im Generatorbetrieb, bedingt durch die hohe äußere Wassersäule zusätzliche Energie erzeugen und den Wirkungsgrad der Anlage nochmals steigern. Hierfür reicht es in der Regel aus, eine zentrale Öffnung zu schaffen, die mit einer Wasserturbine versehen ist und alle weiteren Öffnungen nach der Turbine abgezweigt werden.
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Alle Arten von erfindungsgemäßen Energiespeicheranlagen sind insbesondere in Kombination mit Windrädern effektiv, vor allem dann, wenn man den Verdichter in den Windradturm platziert und dabei immer das größtmögliche Drehmoment einfangen kann, ohne auf die Drehzahl des Flügels achten zu müssen. Die Stromerzeugung kann dann gleichzeitig oder aber zeitversetzt über die Drehmomenterzeuger – Generatoreinheit erfolgen.
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Eine ebenfalls sehr gute Kombination mit dem Windrad ergibt sich, wenn man an der Rückseite des Generators im Windradturm einen pneumatischen Antrieb auf die Generatorwelle setzt und den Verdichter in Windradfuß installiert. Man kann so ebenfalls das größtmögliche Drehmoment nutzen, wenn man die Drehzahl des Generators mit dem Verdichter belastet, wenn die Drehzahl die Norm nach oben verlässt, andererseits kann der pneumatische Antrieb die Drehzahl erhöhen, wenn die Drehzahl die Norm nach unten verlässt. Hierzu muss eine Drehzahlregelung eingesetzt werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn man durch Zusammenfassung der Turmkonstruktion eines Windrades mit der Speicherkonstruktion den Auftrieb, der beim Druckaufbau im Druckgasspeicher entsteht, größtenteils bzw. gänzlich vermeidet.
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Eine ganz andere Klasse von Anwendungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Energiespeicheranlage mit Elektrolyseeinrichtung ergibt sich für fossile Energieerzeugungsanlagen, die schwer entflammbare Materialien, wie Ölschiefer, Ölsande, Schwerstöle, verwertbare Reste aus stillgelegten Ölquellen usw. verwenden. Hier kann mit Hilfe von Wasser-Sauerstoffgemischen die Verbrennung gestartet und stabil gehalten werden. Auch eine örtliche Homogenisierung der Verbrennung kann durch gezieltes Einleiten der Gasmischung erreicht werden. Durch die mögliche Erzielung sehr hoher Verbrennungstemperaturen bis zu cirka 2000°C können auch sehr stabile giftige chemische Verbindungen, wie zum Beispiel Dioxine aufgebrochen und zu ungefährlicher Asche oder Abgas reduziert werden.
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Im Gegensatz zu anderen fossilen Verbrennungs-Startern oder Zusätzen hat man hier den Vorteil, dass die teilweise wertvolle Asche einer Verbrennung, wie zum Beispiel beim Ölschiefer, die unter anderem einen Grundstoff für die Zementproduktion darstellt, nicht durch „schlechte” Asche verunreinigt wird.
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Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die erfindungsgemäße Energiespeicheranlage als marktfähige Produkte, Strom und ebenso auch Flüssiggase und Abwärme mit den entsprechenden Marktwerten sowohl vermakeln, verkaufen aber auch selbst nutzen kann. Wann die entsprechenden Produkte erzeugt werden, hängt von verschiedenen Faktoren, insbesondere dem aktuellen Marktpreis und den jeweils vorhandenen freien Speicherkapazitäten ab und kann nur in einem individuellen Optimierungsprozess bestimmt werden.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den Zeichnungen. Ebenso können die vorstehend genannten und die weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden.
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Es zeigen:
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1 einen schematischen Vertikalschnitt durch eine erfindungsgemäße Energiespeicheranlage in einer Grundversion mit einem Mehrkammern-Druckgasbehälter;
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2 eine weitere Variante der Erfindung mit einer Elektrolyseeinrichtung und der Verteilung der unterschiedlichen Gase in verschiedenen Kammern eines Druckgasbehälters;
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3 eine abgewandelte Form der Erfindung im offshore Bereich mit Druckausgleichsöffnungen zum umgebenden Wasser;
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4 einen schematischen vertikalen Querschnitt eines speziellen Druckgasbehälters mit mehreren Kammern, wobei eine Kammer mit einen Wärmetauscher ausgestattet ist;
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5 ein Parameterdiagramm für den Volumenbedarf in Abhängigkeit vom Druck p2 in einem Druckgasspeicher, für eine in 24 h erzeugte Energie von [1....10 MWh] als Parameter;
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6 ein Parameterdiagramm für die Temperaturveränderung T2 in Abhängigkeit vom Molvolumen n2 in einem Druckgasspeicher mit dem Druck p2 als Parameter; und
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7 ein Parameterdiagramm für das gespeicherte Molvolumen n2,H2O in einem Druckgasspeicher, in Abhängigkeit vom Druck p2 und V als Volumenparameter.
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1 zeigt den vertikalen Querschnitt durch eine Energiespeicheranlage 10 in einer Grundversion, die einen Druckgasbehälter 11 in teilweiser Unterflurbauweise B zur Aufnahme und Speicherung von Druckgas G, einen mit zur Verfügung stehender Energie E betriebenen Verdichter 12 zum Aufladen des Druckgasbehälters 11 mit Druckgas G und einen Drehmomenterzeuger 13 zur Umwandlung von Druck des Druckgases G in mechanische Bewegungsenergie umfasst, wobei dem Drehmomenterzeuger 13 ein Stromgenerator 14 nachgeschaltet ist, der die mechanische Bewegungsenergie des Drehmomenterzeugers 13 in elektrischen Strom umwandeln und dem öffentlichen Strom-Netz N zuführen kann, wobei der Druckgasbehälter 11 mehrere gegeneinander gasdicht verriegelbare Speicherkammern 15; 15.1, 15.2, 15.3, 15.4; 15a, 15.b, 15.c, 15.d zur Aufnahme und Speicherung von Druckgasen mit jeweils unterschiedlichem Energieinhalt von G', G'' und G''' aufweist. Die Kammern mit den in Richtung Zentrum C konvexen Wänden 16, sind konzentrisch angeordnet.
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Die Kammergruppen 15.1, 15.2, 15.3, 15.4; 15a, 15.b; 15.c, 15.d können jeweils mit Überströmöffnungen verbunden, die Kammergruppen gegeneinander dagegen jeweils mit Grenzdruckventilen ausgestattet sein. Im Ladebetrieb schließen sich nach und nach die Grenzdruckventile, wobei sich die voreingestellten Grenzdrücke einstellen. Die Zentralkammer 15 mit dem höchsten Druck liegt dabei abgeschirmt von den anderen Kammern sicher im Kern der Anlage.
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Die gezeigten Querschnitte der Kammern können auch Rotationskörper darstellen, wobei jeweils die Kammerpaare 15.1,2 und 15.3,4 sowie auch 15b, 15c gleich wären;
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2 zeigt den Querschnitt einer Energiespeicheranlage 20, die einen Druckgasbehälter 21 in teilweiser Unterflurbauweise B zur Aufnahme und Speicherung von Druckgas G, einen mit zur Verfügung stehender Energie E betriebenen Verdichter 22 zum Aufladen des Druckgasbehälters 21 mit Druckgas G und einen Drehmomenterzeuger 23 zur Umwandlung von Druck des Druckgases G in mechanische Bewegungsenergie umfasst, wobei dem Drehmomenterzeuger 23 ein Stromgenerator 24 nachgeschaltet ist, der die mechanische Bewegungsenergie des Drehmomenterzeugers 23 in elektrischen Strom umwandeln und dem öffentlichen Strom-Netz N zuführen kann, wobei der Druckgasbehälter 21 mehrere gegeneinander gasdicht verriegelbare Speicherkammern 25; 25.1, 25.2, 25.3, 25.4; 25.a, 25.b, 25.c, 25.d; zur Aufnahme und Speicherung von Druckgasen mit jeweils unterschiedlichem Energieinhalt von G', G'' und G''' aufweist. Die Kammern mit den in Richtung Zentrum C konvexen Wänden 26, sind konzentrisch angeordnet.
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Die Energiespeicheranlage 20 ist zusätzlich mit einer Elektrolyseeinrichtung 27 ausgestattet, die mit Gleichstrom E' versorgt wird. Über eine Verteileranlage mit Absperrventilen X, kann der Verdichter 22 an jede Gasquelle, Umgebungsluft, Wasserstoff G(H2) und Sauerstoff G(O2) angeschlossen werden, sowie über eine weitere Verteileranlage mit Absperrventilen kann die richtige Kammer mit Druckgas G gefüllt werden: 25 mit G', 25.1 mit G'(O2) und 25.2 mit G'(H2). Mit der Verbrennung eines Gasgemisches aus 25.1 und 25.2 in der Zentralkammer 25 kann hier der Druck durch Temperaturerhöhung gesteigert werden;
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3 zeigt eine Abwandlung der Grundstruktur von 1. Die Energiespeicheranlage 30 befindet sich im offshore Bereich mit dem Ufer B und dem Wasserspiegel W. Die Energiespeicheranlage hat einen Druckgasbehälter 31, der teilweise unter dem Wasserspiegel W liegt, zur Aufnahme und Speicherung von Druckgas G, einen mit zur Verfügung stehender Energie E betriebenen Verdichter 32 zum Aufladen des Druckgasbehälters 31 mit Druckgas G und einen Drehmomenterzeuger 33 zur Umwandlung von Druck des Druckgases G in mechanische Bewegungsenergie umfasst, wobei dem Drehmomenterzeuger 33 ein Stromgenerator 34 nachgeschaltet ist, der die mechanische Bewegungsenergie des Drehmomenterzeugers 33 in elektrischen Strom umwandeln und dem öffentlichen Strom-Netz N zuführen kann, wobei der Druckgasbehälter 31 mehrere gegeneinander gasdicht verriegelbare Speicherkammern 35; 35.1, 35.2, 35.3, 35.4; 35a, 35.b, 35.c zur Aufnahme und Speicherung von Druckgasen mit jeweils unterschiedlichem Energieinhalt von G', G'' und G''' aufweist. Die Kammern mit den in Richtung Zentrum C konvexen Wänden 36, sind konzentrisch angeordnet.
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Die Kammergruppen 35; 35.1, 35.2, 35.3, 35.4 und 35a, 35.b, 35.c können jeweils mit – in der Zeichnung nicht dargestellten – Überströmöffnungen verbunden, die Kammergruppen gegeneinander dagegen jeweils mit Grenzdruckventilen ausgestattet sein. Im Ladebetrieb schließen sich nach und nach die Grenzdruckventile, wobei sich die voreingestellten Grenzdrücke einstellen. Die Zentralkammer 35 mit dem höchsten Druck liegt dabei abgeschirmt von den anderen Kammern sicher im Kern der Anlage.
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Zusätzlich haben die Kammergruppen jeweils mindestens eine Druckausgleichöffnung D zum umgebenden Wasser. Durch die Wirkung der Grenzdruckventile, die im Ladebetrieb nach und nach gasdicht geschlossen werden, stellen sich unterschiedlich tiefe Wasserspiegel ein G''' auf W''', G'' auf W'' und G' auf W'. Die Zentralkammer 35 weist wiederum den höchsten Druck G''' auf.
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Zusätzlich kann auch eine Wasserturbine in die Druckausgleichöffnung D eingebaut werden, die durch in den Druckgasbehälter 31 eindringendes Wasser angetrieben werden kann.
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Besonders geeignet ist diese Variante in Kombination mit offshore Windkraftanlagen.
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4 schließlich zeigt einen möglichen Grundriss eines Druckgasbehälters 41 zur Aufnahme und Speicherung von Druckgas G, wobei der Druckgasbehälter 41 mehrere gegeneinander gasdicht verriegelbare Speicherkammern 45; 45.1, 45.2, 45.3, 45.4; 45.a, 45.b, 45.c, 45.d zur Aufnahme und Speicherung von Druckgasen mit jeweils unterschiedlichem Energieinhalt aufweist, beispielsweise: G' mit 15 MN/m2, G'' mit 30 MN/m2 und G''' mit 40 MN/m2. Die Kammern mit den in Richtung Zentrum C konvexen Wänden 46 sind konzentrisch angeordnet.
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Die Kammergruppen 45.a, 45.b, 45.c, 45.d und 45.1, 45.2, 45.3, 45.4 können jeweils durch Überströmöffnungen verbunden sein, die Kammergruppen gegeneinander dagegen jeweils mit Grenzdruckventilen ausgestattet sein. Im Ladebetrieb schließen sich nach und nach die Grenzdruckventile, wobei sich die voreingestellten Grenzdrücke einstellen. Die Zentralkammer 45 mit dem höchsten Druck zum Beispiel 40 MN/m2 liegt dabei abgeschirmt von den anderen Kammern sicher im Kern der Anlage.
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Die Kammer 45a weist einen Wärmetauscher 47 auf, der schematisch durch Kühlschlangen dargestellt ist, mit F+ als heißem Vorlauf und F– als kaltem Rücklauf. Die Kammer 45a kann auch teilweise mit einem flüssigen Medium gefüllt sein, wobei das anteilige Gas durch Temperaturerhöhung Druck erzeugt, der zunächst auf die Kammergruppe verteilt werden kann.
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5 zeigt ein Parameterdiagramm für den Volumenbedarf in Abhängigkeit vom Druck p2 in einem Druckgasspeicher, für eine in 24 h erzeugte Energie von [1....10 MWh] als Parameter.
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An der Ordinate lässt sich ablesen, welche Abmessungen eine abstrahierte Würfelform als Ersatz für einen Druckgasspeicher haben muss, wenn eine bestimmte in 24 h erzeugte Energie unter einem bestimmten Druck gespeichert werden soll.
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Beispiel: Eine Windkraftanlage liefert 24 h gleichmäßig 5 MWh, also 120 MWh. Bei einem zulässigen Druck von 40 MN/m2, müsste die abstrahierte Würfelform eine Kantenlänge von circa 22 m haben.
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Die Kurvenschar zeigt auch, dass durch noch höhere Drücke als circirca 40 MN/m2 das benötigte Behältervolumen nur noch langsam abnimmt, der technische Aufwand dafür aber erheblich zunehmen würde.
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6 zeigt ein Parameterdiagramm für die Temperaturveränderung T2 in Abhängigkeit von n2 [kmol] beziehungsweise m2 [t], in einem Druckgasspeicher mit dem Druck p2 als Parameter.
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Anhand dieses Diagrammes kann man erkennen, welche Temperaturerhöhung im Druckgasspeicher notwendig wird, wenn im Stromerzeugungsbetrieb Druckluft – und damit Masse – entnommen wird, um den Druck im Druckgasspeicher aufrecht zu erhalten.
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Beispiel: In einem Behälter von 1000 m3 befinden sich 464 t Luft mit Umgebungstemperatur circa T = 300 K. Es soll der Anfangsdruck von p = 40 MN/m2 aufrechterhalten werden. Bei einer Abnahme auf 348 t müsste man die Temperatur im Druckgasspeicher auf circa 400 K oder etwa 100°C erhöhen, um den Anfangsdruck konstant zu halten. Eine exotherme Reaktion von Wasser- und Sauerstoff im Druckgasspeicher könnte diese Wärmeenergie leicht erzeugen, zumal wenn die Gase an Ort und Stelle durch Elektrolyse entstanden sind. Ohne Nachheizung würde sich bei gleicher Temperatur der Druck auf circa p = 30 MN/m2 verringern. Tatsächlich nimmt die Temperatur durch den negativen Massenstrom aber noch zusätzlich ab und damit würde der Druck noch erheblich tiefer sinken. Es ist zu erkennen, wie vorteilhaft eine Nachheizung durch Verbrennung oder aber auch durch Wärmeaustausch sein kann.
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7 schließlich zeigt ein Parameterdiagramm für das gespeicherte Molvolumen n2,H2 [kmol] in einem Druckgasspeicher, in Abhängigkeit vom Druck p2 und V als Volumenparameter.
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Die Masse des Wasserstoffes stellt gespeicherte Energie dar, die durch eine Reaktion mit Sauerstoff unter Bildung von Wasser, hier Wasserdampf angenommen als Enthalpie freigesetzt wird, die sich mit der zweiten Formel aus 7 berechnen lässt.
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Beispiel: Ein Druckgasspeicher hat 1000 m3 Volumen und steht mit circa 18 MN/m2 unter Druck, dann sind hier circa 8000 kmol H2 gespeichert. Die gespeicherte Energie beträgt dann E(H2O,Gas) = 67,648·8000 kWh = 541184kWh = 541,2 MWh. Geht man von einer 8 MWh Windkraftanlage aus, entspräche dies einer Speicherung von 68 h oder 2,82 Tagen im Volllastbetrieb.
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schließlich zeigt ein Parameterdiagramm für das gespeicherte Molvolumen n2,H2 [kmol] in einem Druckgasspeicher, in Abhängigkeit vom Druck p2 und V als Volumenparameter.
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Die Masse des Wasserstoffes stellt gespeicherte Energie dar, die durch eine Reaktion mit Sauerstoff unter Bildung von Wasser (hier Wasserdampf angenommen) als Enthalpie freigesetzt wird, die sich mit der zweiten Formel berechnen lässt.
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Beispiel: Ein Druckgasspeicher hat 1000 m3 Volumen und steht mit circa 18 MN/m2 unter Druck, dann sind hier circa 8000 kmol H2 gespeichert. Die gespeicherte Energie beträgt dann E(H2O,Gas) = 67,648·8000 kWh = 541184 kWh = 541,2 MWh. Geht man von einer 8 MWh Windkraftanlage aus, entspräche dies einer Speicherung von 68 h oder 2,82 Tagen im Volllastbetrieb.
