DE102012015732B4

DE102012015732B4 - Verfahren und Anordnungen zur Aufnahme und Abgabe elektrischer Energie in Gasdruckspeicherwerken

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Publication number: DE102012015732B4
Application number: DE102012015732.0A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-08-27
Filing date: 2012-08-09
Publication date: 2015-07-09
Anticipated expiration: 2032-08-10
Also published as: DE102012015732A1

Abstract

Verfahren zur Kompression eines Speicherfluids 1 in einer Anordnung zur Speicherung und Wiederabgabe großer Mengen elektrischer Energie gekennzeichnet durch (vgl. 2): a) Verwendung eines kompressiblen Speicherfluids 1 – vorzugsweise Luft – unter hohem mittleren Druck pS zur Speicherung mechanischer Energie als Volumenänderungsarbeit in einem geschlossenen druckfesten Speicher 2, b) Verwendung eines nahezu inkompressiblen Arbeitsfluids 3 bei der Umwandlung von Antriebsenergie in Druckenergie mit Hilfe einer Pumpe 4 einerseits und der Umwandlung von Druckenergie in Antriebsenergie in einer Fluidarbeitsmaschine 6 andererseits, c) Trennung des nutzbaren Arbeitsdruckgefälles pS zu pU bei der Energieumwandlung mit Hilfe des Arbeitsfluids 3 von der Druckänderung ΔpS des kompressiblen Speicherfluids 1 bei Lade- und Entladevorgängen durch den Verbleib des Speicherfluids 1 im Speicher 2 und in der Arbeitskammer 8, d) Kompression des Speicherfluids 1 in der Arbeitskammer 8 durch Einpumpen des Arbeitsfluids 3 aus dem Behälter 9 bei geschlossenen Absperrorganen 13 und 14, dadurch Verringerung des Volumens des Speicherfluids 1 und Erhöhung des Drucks pA in der Arbeitskammer 8, e) Zufuhr von Speicherfluid 1 in den Speicher 2 und damit Erhöhung des Drucks pS durch Öffnen des Absperrorgans 14 in der Verbindungsleitung 10, wenn der Druck pA in der Arbeitskammer 8 größer als der Druck pS im Speicher 2 ist, zum Ausgleich der Drücke pA in Arbeitskammer 8 und pS im Speicher 2, f) Schließen des Absperrorgans 14 und Öffnen des Absperrorgans 13, wenn der maximale Füllstand H des Arbeitsfluids 3 in der Arbeitskammer 8 erreicht ist und die Drücke pA in der Arbeitskammer 8 und pS im Speicher 2 angeglichen sind, g) Rückführung des Arbeitsfluids 3 aus der Arbeitskammer 8 in den Behälter 9 und Einströmen des Speicherfluids 1 durch das geöffnete Absperrorgan 13 in das vom Arbeitsfluid 3 freigegebene Volumen in der Arbeitskammer 8, h) Schließen des Absperrorgans 13, wenn die zu komprimierende Menge an Speicherfluid 1 in der Arbeitskammer 8 vorhanden ist, i) Wiederholung der Schritte d) bis h), bis der gewünschte Druck pS im Speicher 2 erreicht ist. j) Entnahme von Energie aus dem Speicher 2 durch Expansion des Speicherfluids 1, wobei der Druck pS das Arbeitsfluid 3 durch eine Fluidarbeitsmaschine 6 zum niedrigeren Druck pU treibt, k) Umwandlung der Druckenergie des Arbeitsfluids 3 in einer Fluidarbeitsmaschine 6 zum Antrieb eines Generators 7 zur Erzeugung elektrischer Energie.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und Anordnungen zur Speicherung und Abgabe großer Mengen elektrischer Energie. Die temporäre Speicherung von Energie ist im elektrischen Versorgungsnetz beim Ausgleich von Schwankungen des Verbrauchs, insbesondere aber auch bei der Erzeugung aus erneuerbaren Energiequellen erforderlich. Als typisches Beispiel seien hier große Windenergieanlagen mit unzureichender Netzanbindung genannt.
Aus dem Stand der Technik für die Aufgabenstellung, elektrische Energie als mechanische Energie zu speichern und gegebenenfalls wieder abzugeben, sind im Wesentlichen Schwungradspeicher, Pumpspeicherwerke und Luftdruckspeicherwerke bekannt.
In Schwungradspeichern wird elektrische Energie als Rotationsenergie in Schwungrädern gespeichert. Durch Reibungsverluste in der Lagerung des Schwungrades geht allerdings ständig gespeicherte Energie verloren. Für die hier betrachtete Anordnung und die Abgrenzung zum Stand der Technik sind die Schwungradspeicher nicht relevant und werden daher nicht weiter berücksichtigt.
In Pumpspeicherwerken wird Wasser als Arbeitsmedium bei der Energieumwandlung und zur Speicherung verwendet. Die mechanische Energie wird als Energie der Lage des Arbeitsmediums Wasser gespeichert. Dazu wird Wasser aus dem Unterbecken unter Aufwendung elektrischer Energie in das höher gelegene Oberbecken gepumpt.
Die gespeicherte Energiemenge ist dem Produkt aus Wassermenge im Oberbecken und der nutzbaren Höhendifferenz zwischen Ober- und Unterbecken proportional. Zur Umwandlung der Lageenergie des Wassers in mechanische Energie zum Antrieb eines elektrischen Generators stehen verschiedene Bauarten von Wasserturbinen zur Verfügung. Da das Arbeitsmedium Wasser nahezu inkompressibel ist, werden bei der Umwandlung der mechanischen Energie Wirkungsgrade η_T von bis zu 90% erreicht. Ohne Berücksichtigung der elektrischen Wirkungsgrade kann ein mechanischer Gesamtwirkungsgrad für Speicherung und Rückgewinnung von ca. 80% erreicht werden.
Der Zusammenhang zwischen nutzbarer Fallhöhe H und der zur Gewinnung einer bestimmten Menge an elektrischer Energie W_el notwendigen Masse Wasser m_w wird in Gleichung 1 dargestellt. W_el = η_Gη_Tm_WgH Gleichung 1
In Gleichung 1 bezeichnet η_G den elektrischen Wirkungsgrad des Generators und g die Erdbeschleunigung.
Mit typischen Wirkungsgraden ist bei einer Höhendifferenz von 1 m eine Wassermasse von ca. 440 t erforderlich, um 1 kWh zu speichern bzw. wiedereinspeisen zu können. Entsprechend muss bei einer Höhendifferenz von 440 m nur 1 t Wasser bewegt werden, um 1 kWh ins Netz einspeisen zu können. Pumpspeicherwerke stellen damit Ansprüche an die Topologie des Standorts bzw. der Umgebung, die an vielen Orten nicht erfüllt werden können.
In Luftdruckspeicherwerken wird Luft als Arbeitsmedium bei der Energieumwandlung und zur Speicherung verwendet. Die Energiespeicherung erfolgt durch Kompression und Lagerung der komprimierten Luft beispielsweise in unterirdischen Hohlräumen bzw. Kavernen. Bei der Energieabgabe an das elektrische Netz wird die komprimierte Luft zum Antrieb von Gasturbinen verwendet. Da Luft ein kompressibles Arbeitsmedium ist, wird ein Teil der aufgewendeten Energie bei der Kompression in innere Energie umgesetzt, so dass die Temperatur T des Arbeitsmediums steigt. Für ein ideales Gas kann die Temperaturänderung bei der Kompression vom Druck p₁ auf den Druck p₂ unter Annahme eines adiabaten Prozesses mit Gleichung 2 geschätzt werden.
Betrachtet man beispielsweise Luft als ideales Gas mit einem Isentropenexponenten κ von ca. 1,402, so erhält man bei einer adiabaten Druckerhöhung von p₁ = 1 bar auf p₂ = 40 bar eine Temperaturerhöhung von z. B. T₁ = 20°C auf ca. T₂ = 570°C.
Die Temperaturerhöhung stellt hohe Anforderungen an den Kompressor bzw. die verwendeten Werkstoffe. Zudem kann die komprimierte Luft im Speicher infolge der Temperaturdifferenz zur Umgebung Wärmeenergie verlieren. Dadurch sinkt der Druck und die gespeicherte Energiemenge nimmt ab.
Zur Verringerung der Energieverluste durch Wärmeleitung kann der komprimierten Luft ein Teil der zugeführten inneren Energie vor der Einlagerung im Luftdruckspeicher bzw. während der Kompression entzogen und in einem Wärmespeicher gelagert werden. Die gespeicherte Wärme muss dann aber dem Arbeitsmedium Luft während der Expansion wieder zugeführt werden. Dieses Verfahren soll in sogenannten adiabaten Luftdruckspeicherwerken realisiert werden – wobei die Wärmezufuhr vor der Expansion möglichst auf dem gleichen Temperaturniveau erfolgen muss, das am Ende der Kompression erreicht wurde. Im Beispiel mit einem Druck p₂ = 40 bar wurden nach der Kompression ca. 570°C erreicht. Die komprimierte Luft muss vor der Expansion in der Turbine möglichst auf diese Temperatur erhitzt werden. Der dazu erforderliche Hochtemperaturwärmespeicher ist im Gemeinschaftsprojekt „ADELE” als Feststoffwärmespeicher, der direkt vom heißen Speicherfluid durchströmt wird, geplant. Der Feststoffwärmespeicher muss dann nicht nur für hohe Temperaturen, sondern auch für den maximalen Speicherdruck ausgelegt sein.
Aus dem Stand der Technik sind Verfahren und Anordnungen bekannt, in denen Wasser als Arbeitsfluid in Verbindung mit Gasdruck zur Energieumwandlung verwendet wird. In der Regel wird dabei allerdings nicht auf die Temperaturänderung bei einer adiabaten Kompression oder Expansion und die damit verbundenen Verluste eingegangen.
Das United States Patent 6,073,445 A „Methods for Producing Hydro-Electric Power” beschreibt ein Verfahren und eine Anordnung, in der Verbrennungsabgase mit Hilfe von Wasser zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt werden. Die Verbrennungsabgase verdrängen Wasser aus einem Reservoir und treiben es durch eine Turbine, die einen elektrischen Generator antreibt. Die Energie wird dem treibenden Gas durch einen Verbrennungsprozess zugeführt, daher sind adiabate Kompression und Expansion von Gasen für das Verfahren nicht relevant.
Im United States Patent 5,205,720 A wird ein Verfahren beschrieben, mit dem Luft in einem Behälter durch Absenken des Behälters in Wasser durch den hydrostatischen Druck komprimiert werden kann. Nach Abschluss der Kompression wird der Behälter mit der komprimierten Luft wieder an die Wasseroberfläche gebracht. Die in der komprimierten Luft gespeicherte Energie kann dann zum Pumpen von Wasser in ein höher gelegenes Becken, zum Beispiel in einem Pumpspeicherwerk, genutzt werden. In diesem Verfahren wird Luft als Speicherfluid verwendet, um die gespeicherte Energie vom Ort der Erzeugung zum Ort der Anwendung zu bringen und nicht um elektrische Energie aufzunehmen und zu einem späteren Zeitpunkt wieder abzugeben. Auf die Änderung der Temperatur des Speicherfluids Luft bei der Kompression einerseits und der Expansion andererseits wird in der Patentschrift nicht eingegangen und daher werden auch keine Hinweise zur Verringerung der dadurch bedingten Verluste gegeben.
In der Offenlegungsschrift DE 10 2004 047 290 A1 „Verfahren zum Betreiben einer Kraftstation und Kraftstation zur Durchführung des Verfahrens” wird Wasser als Arbeitsfluid genutzt, um bei niedrigen Temperaturdifferenzen mit Hilfe von vorgespanntem Kohlendioxid elektrische Energie zu erzeugen. Zentraler Bestandteil der Kraftstation sind zwei Druckbehälter mit unterschiedlichem Druckniveau, in denen sich jeweils ein Wasserspeicher und ein integrierter Gasdruckspeicher befinden. Die beiden Wasserspeicher sind mit einer Leitung verbunden, in der eine Wasserturbine mit einem Generator angeordnet ist. Wenn das Wasser von dem Behälter mit höherem Druck in den Behälter mit niedrigerem Druck strömt, wird die Druckdifferenz in der Turbine abgebaut und die Turbine zum Antrieb des Generators genutzt. Die durch die Turbine strömende Wassermenge wird mit Hilfe einer Druckaufbaueinrichtung wieder ersetzt, so dass die beiden Drücke in den Druckbehältern möglichst wenig schwanken. Die primäre Funktion der integrierten Gasdruckspeicher besteht also nicht darin große Energiemengen zu speichern, sondern die hydraulische Steifigkeit zu verringern und dadurch Druckschwankungen in den Wasserspeichern zu reduzieren. Da die Druckschwankungen möglichst klein sein sollen, sind auch die Änderungen des eingeschlossenen Gasvolumens klein, so dass keine relevanten Auswirkungen der adiabaten Zustandsänderungen zu erwarten sind.
In der Offenlegungsschrift DE 10 2008 040 393 A1 „Hydraulischer Großenergiespeicher” wird ein Pumpspeicherwerk mit geschlossenem oberen Reservoir beschrieben, in dem die zur Speicherung einer bestimmten Menge elektrischer Energie erforderliche Fluidmenge mit Hilfe einer Gasfeder verringert wird. Die Temperaturerhöhung bei der adiabaten Kompression eines Gases wird dort nicht betrachtet und somit werden auch keine Maßnahmen zur Verringerung von Energieverlusten beschrieben. In 2 dieser Offenlegungsschrift ist ein Behälter mit einem Gasvolumen (G) und einem Fluidvolumen (W) gezeigt, die durch eine Membran T getrennt sind. In dieser Darstellung sind Fluidvolumen (W) und Gasvolumen (G) etwa gleich groß, so dass hier das Gesamtvolumen des Speichers im günstigen Fall das Zweifache des hineingepumpten Fluids beträgt.
Die Offenlegungsschrift US 2011/0247323 A1 zeigt ein abgeschlossenes System zur Speicherung und Wiedergabe von elektrischer Energie, in dem ein inkompressibles Arbeitsfluid und ein kompressibles Speicherfluid verwendet werden. In der Beschreibung wird auf die Temperaturänderungen des kompressiblen Speicherfluids infolge von Druckänderungen eingegangen. Zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades und einer hohen Energiedichte soll die Anlage in Annäherung an einen isothermen Prozess betrieben werden. In 1 ist eine Anordnung mit zwei Arbeitskammern, in denen der Druck des kompressiblen Speicherfluids auf das kompressible Arbeitsfluid übertragen wird, zwei Druckspeichern mit unterschiedlichem Druckniveau und einer Energiewandlereinheit dargestellt. Die beiden Arbeitskammern können jeweils mit beiden Druckspeichern verbunden werden, so dass die Anlage in beiden Richtungen betrieben werden kann. Die Energiewandlereinheit kann als hydraulische Pumpe mit elektrischem Motor bei der Energiezufuhr und bei der Energierückgabe als elektrischer Generator mit Turbine betrieben werden. In den Arbeitskammern ist jeweils ein Wärmespeicher integriert, der Kontakt zum Arbeitsfluid und dem darüberstehenden Speicherfluid hat. Diese Wärmespeicher sind also im druckbelasteten Teil der Anlage angeordnet und reduzieren damit das Volumen des eingeschlossenen Arbeitsfluids- beziehungsweise die in einem Arbeitszyklus verschiebbare Arbeitsfluidmenge. Die Verbindungsleitungen zwischen der Energiewandlereinheit und den beiden Arbeitskammern enthalten jeweils einen Wärmeübertrager, mit dem Wärme aus dem Arbeitsfluid entnommen und an die Umgebung abgeführt werden kann. Die abgeführte Wärmeenergie geht allerdings für die Speicherung verloren.
Aufgabe der Erfindung ist es, mechanische Energie mit nur geringen Verlusten einem Gasdruckspeicher sowohl zuzuführen als auch wieder zu entnehmen. Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, dass die Umwandlung der mechanischen Energie in Druckenergie und die Umwandlung der Druckenergie in mechanische Energie mittels eines nahezu inkompressiblen Arbeitsfluids und die Energiespeicherung und Energierückgabe mittels eines kompressiblen Speicherfluids erfolgt.
Da ein nahezu inkompressibles Arbeitsfluid bei Erhöhung des Drucks nur einen sehr kleinen Anteil der zugeführten mechanischen Arbeit in innere Energie umsetzt, sind die Verluste in Form von Wärme und die Temperaturänderungen – abgesehen von dissipativen Vorgängen – sehr gering. Die Energieumwandlung und die Speicherung der Energie werden getrennt und erfolgen mit Hilfe verschiedener Fluide. So kann durch entsprechende Auslegung der Anlage eine große Druckdifferenz für die Energieumwandlung genutzt und davon unabhängig die Druckänderung, die das kompressible Speicherfluid im Speicher erfährt, minimiert werden.
Gegenüber einem klassischen Pumpspeicherwerk wird die Fallhöhe durch den Druck im Speicher „ersetzt”, wobei 1 bar Druckdifferenz zur Umgebung ca. 10 m Fallhöhe entspricht. Anstelle von 440 m Fallhöhe aus dem oben angeführten Beispiel ist ein Druck von 44 bar erforderlich, um mit 1000 kg Wasser 1 KWh elektrische Energie zu speichern.
Es zeigen 1 das Grundschema des Verfahrens und 2 eine Anordnung zur Speicherung und Abgabe großer Mengen elektrischer Energie.
Die elektrische Energie wird zum Laden des Speichers mit einem Elektromotor 5 in mechanische Antriebsenergie für eine Pumpe 4 umgewandelt. Die mechanische Energie wird mit Hilfe eines nahezu inkompressiblen Arbeitsfluids 3 einem vorgespannten kompressiblen Speicherfluid 1 in einem druckfesten Speicher 2 zugeführt und in Form von Volumenänderungsarbeit gespeichert. Zufuhr oder Entnahme von mechanischer Energie erfolgt mit Hilfe des nahezu inkompressiblen Arbeitsfluids 3. Bei der Rückgewinnung wird die mechanische Energie mit Hilfe einer Fluidarbeitsmaschine 6 und eines Generators 7 in elektrische Energie umgewandelt.
Der Druck p_S im Speicher 2 ist in allen Betriebszuständen deutlich höher als der Druck p_U im Behälter 9. Dem Speicher 2 wird Energie zugeführt, indem das Arbeitsfluid 3 unter Aufwendung mechanischer Energie mit der Pumpe 5 aus dem Behälter 9 mit dem Druck p_U gegen den höheren Druck p_S in den geschlossenen Speicher 2 gepumpt wird. Da das Arbeitsfluid 3 weitgehend inkompressibel ist, kann die Antriebsenergie dem Arbeitsfluid 3 fast vollständig bei nur minimaler Temperaturänderung als Verschiebearbeit zugeführt werden. Das in den Speicher 2 gepumpte Arbeitsfluid 3 verringert das Volumen des eingeschlossenen kompressiblen Speicherfluids 1. Mit Hilfe des Arbeitsfluids 3 wird also das Speicherfluid 1 komprimiert und der Druck im Speicher 2 erhöht. Da das Speicherfluid 1 kompressibel ist, wird ein Teil der zugeführten Energie bei der Kompression in innere Energie umgesetzt, wodurch die Temperatur des Speicherfluids 1 steigt. Zur Minimierung der Temperaturänderung im Speicher 2 und somit auch zur Minimierung von Wärmeverlusten soll die Erhöhung des Drucks p_S beim Laden des Speichers 2 möglichst klein sein. Das Volumen des Speichers 2 ist also möglichst groß im Verhältnis zum Volumen des beim Laden des Speichers 2 zugeführten Arbeitsfluids 3. Das gesamte im Speicher 2 eingeschlossene Volumen soll nicht weniger als das Fünffache des Volumens des beim Laden des Speichers hineingepumpten Arbeitsfluids 3 betragen, um die Wärmeverluste durch den Temperaturausgleich im Speicher zu begrenzen.
Zur Entnahme von Energie aus dem Speicher 2 lässt man das Arbeitsfluid 3 aus dem Speicher 2 über eine geeignete Fluidarbeitsmaschine 6 beispielsweise in den Behälter 9 ausströmen. Angetrieben vom Druckgefälle p_S – p_U zwischen dem Speicher 2 und dem Behälter 9 kann das Arbeitsfluid 3 in der Fluidarbeitsmaschine 6 Arbeit erbringen, die in einem Generator 7 in elektrische Energie umgewandelt wird. Für das nahezu inkompressible Arbeitsfluid 3 läuft dieser Vorgang bei minimaler Änderung der inneren Energie ab, so dass die freigesetzte Energie fast vollständig in Antriebsenergie für den Generator 7 umgewandelt wird.
Eine Anordnung zur technischen Umsetzung des Verfahrens zur Aufnahme und Abgabe elektrischer Energie als Volumenänderungsarbeit des kompressiblen Speicherfluids 1 in einem geschlossenen druckfesten Speicher 2 und zur Zufuhr oder Entnahme von Energie mit Hilfe eines nahezu inkompressiblen Arbeitsfluids 3 ist in 2 schematisch dargestellt.
Der Speicher 2 enthält ausschließlich das kompressible Speicherfluid 1. Die Arbeitskammer 8 enthält neben einem Teil des Speicherfluids 1 zusätzlich Arbeitsfluid 3 bis zum Füllstand H. Die Verbindungsleitung 10 zum Speicher 2 ist an der höchst gelegenen Stelle an der Arbeitskammer 8 angeschlossen. Da das Speicherfluid 1 eine wesentlich geringere Dichte als das Arbeitsfluid 3 hat, soll so verhindert werden, dass Arbeitsfluid 3 in den Speicher 2 gelangt. Speicher 2 und Arbeitskammer 8 sind für den maximalen Druck p_S, der bei vollgeladenem Speicher 2 erreicht wird, ausgelegt. Behälter 9 ist zur Umgebung offen. Die Arbeitskammer 8 und der Behälter 9 sind so bemessen, dass sie jeweils das gesamte Arbeitsfluid 3 aufnehmen können. Beim regulären Betrieb der Anlage ist das Absperrorgan 14 in der Verbindungsleitung 10 immer geöffnet, während das Absperrorgan 13 geschlossen ist.
Die Zufuhr von Energie erfolgt durch Erhöhung des Füllstands H des Arbeitsfluids 3 in der Arbeitskammer 8. Dazu wird aus dem offenen Behälter 9 mit Hilfe der von einem Elektromotor 5 angetriebenen Pumpe 4 Arbeitsfluid 3 durch das geöffnete Absperrorgan 11 in die Arbeitskammer 8 gepumpt. So wird Speicherfluid 1 aus der Arbeitskammer 8 verdrängt und das Speicherfluid 1 in der Anlage komprimiert. Das Arbeitsfluid 3 wird dabei an der tiefsten Stelle im Behälter 9 entnommen.
Durch Absenkung des Füllstands H des Arbeitsfluids 3 in der Arbeitskammer 8 kann die gespeicherte Energie wieder entnommen werden. Dazu wird das Absperrorgan 11 geschlossen und das Absperrorgan 12 geöffnet, so dass das Arbeitsfluid 3 von der Arbeitskammer 8 – angetrieben vom hohen Druck p_S – durch die Fluidarbeitsmaschine 6 in den offenen Behälter 9 zum wesentlich niedrigeren Umgebungsdruck p_U verschoben werden kann. Dabei wird die freigesetzte Energie von der Fluidarbeitsmaschine 6 in Antriebsenergie für den Generator 7 umgewandelt. Der Generator 7 wandelt die mechanische Energie in elektrische Energie um, die dann wieder ins elektrische Versorgungsnetz eingespeist werden kann.
Die technischen Anforderungen an die Fluidarbeitsmaschine 6 sind mit denen eines Pumpspeicherwerks vergleichbar. Damit können alle aus dem Stand der Technik für diese Anwendung bekannten Turbinenbauarten – jedoch auch Formen von Kolbenarbeitsmaschinen – zur Umsetzung in Antriebsenergie für den Generator 7 verwendet werden.
Ähnliches gilt für die Anforderungen an die Pumpe 4 und ihren elektrischen Antrieb 5. Auch hier können die aus den Pumpspeicherwerken bekannten radial oder axial durchströmten Pumpen – oder geeignete Kolbenpumpen – verwendet werden.
Die Funktionen der Pumpe 4 und der Fluidarbeitsmaschine 6 können auch in einer Maschine vereinigt werden, wie es in einigen Pumpspeicherwerken mit sogenannten Pumpturbinen realisiert ist. Da entsprechende Bauformen von Motoren auch als Generatoren betrieben werden können, kann man die Funktionen des Elektromotors 5 und des Generators 7 ebenfalls in nur einer Maschine zusammenfassen.
Eine Weiterentwicklung der Erfindung sieht vor, dass der vorgesehene mittlere Druck p_S im Speicher 2 ohne einen zusätzlichen Kompressor eingestellt werden kann. Zur Druckerhöhung wird zunächst das Absperrorgan 14 in der Verbindungsleitung 10 zwischen der Arbeitskammer 8 und dem Speicher 2 geschlossen, das Absperrorgan 13 geöffnet und das Arbeitsfluid 3 aus der Arbeitskammer 8 in den offenen Behälter 9 verlagert, so dass Speicherfluid 1 durch das Absperrorgan 13 in die Arbeitskammer 8 eintreten kann. Dann wird das Absperrorgan 13 geschlossen und das Arbeitsfluid 3 aus dem Behälter 9 in die Arbeitskammer 8 gepumpt, um das Speicherfluid 1 zu komprimieren. Wenn der Druck p_A in der Arbeitskammer 8 den Druck p_S im Speicher 2 überschreitet, wird das Absperrorgan 14 in der Verbindung 10 geöffnet. Nun strömt das komprimierte Speicherfluid 1 aus der Arbeitskammer 8 in den Speicher 2, bis die Drücke p_A und p_S angeglichen sind. Dann wird das Absperrorgan 14 wieder geschlossen und der Vorgang so oft wiederholt, bis der gewünschte Druck p_S im Speicher 2 erreicht ist.
Wenn der minimale Füllstand H des Arbeitsfluids 3 in der Arbeitskammer erreicht ist, kann dem Speicher 2 mit Hilfe des Arbeitsfluids 3 und der Fluidarbeitsmaschine 6 keine weitere Energie mehr entnommen werden.
Wenn im Ausnahmefall weitere Energie aus dem Speicher 2 entnommen werden soll, muss zunächst der Füllstand H des Arbeitsfluids 3 in der Arbeitskammer wieder angehoben werden. Das ist möglich, indem nach Schließen des Absperrorgans 14 und damit der Trennung des Speichers 2 von der Arbeitskammer 8 der Druck p_A durch das Öffnen des Absperrorgans 13 soweit abgesenkt wird, dass wieder Arbeitsfluid 3 in die Arbeitskammer 8 gefördert werden kann, bis der maximale Füllstand H erreicht ist. Ohne weitere Maßnahmen geht dabei allerdings die Druckenergie des Speicherfluids 1 in der Arbeitskammer 8 verloren.
Eine weiterentwickelte Anordnung ist in 3 gezeigt. Dort ist zur Nutzung der Energie des Speicherfluids 1 bei Entnahme aus der Arbeitskammer 8 eine Gasturbine 16 auf der Auslassseite des Absperrorgans 13 eingefügt. In der Gasturbine 16 wird der Druck des Speicherfluids 1 auf den Umgebungsdruck abgebaut und die Energie zum Antrieb des elektrischen Generators 17 genutzt. Da die Expansion vom Druck p_A in der Arbeitskammer 8 zum Umgebungsdruck p_U über ein großes Druckgefälle erfolgt, wird die Temperatur des aus der Arbeitskammer 8 über das Absperrorgan 13 entnommenen Speicherfluids 1 in der Brennkammer 15 vor der Expansion in der Gasturbine 16 durch einen Verbrennungsprozess angehoben. Zur Anhebung der Temperatur kann auch eine externe Wärmequelle verwendet werden, dann ist anstelle der Brennkammer 15 ein Wärmeübertrager vorzusehen. Mit einem Verbrennungsprozess kann allerdings eine höhere Leistung der Gasturbine 16 erreicht werden. Da der Druck p_A mit der Entnahme des Speicherfluids 1 aus der Arbeitskammer 8 verringert wird, muss die Gasturbine 16 für einen großen Variationsbereich des Druckverhältnisses ausgelegt sein.
Bei Verwendung eines Wärmeübertragers 15' anstelle der Brennkammer 15, eines Kompressors 16' anstelle der Gasturbine 16 und eines Motors 17' anstelle des Generators 17 kann über das Absperrorgan 13 auch wieder Speicherfluid 1 aus der Umgebung in die Arbeitskammer 8 zurückgeführt werden. Die Kompressionswärme, die in diesem Fall bei der Kompression vom Umgebungsdruck p_U auf den Druck p_A (in der Arbeitskammer 8) im Kompressor 16' entsteht, wird dem Speicherfluid 1 im Wärmeübertrager 15' entzogen, so dass die Temperatur T_A in der Arbeitskammer 8 nicht ansteigt.
Zur Minimierung der Temperaturänderung des Speicherfluids 1 und der damit verbundenen Verluste sollten die Druckänderungen, die das kompressible Speicherfluid 1 bei Lade- und Entladevorgängen erfährt, möglichst klein sein. Die in der Fluidarbeitsmaschine 6 maximal freisetzbare Energiemenge ist dem Produkt aus dem mittleren Druck p_S und der verschobenen Masse des Arbeitsfluids 3 proportional. Ziel der konstruktiven Gestaltung ist also ein hoher mittlerer Druck p_S des Speicherfluids 1 in der Arbeitskammer 8 und dem Speicher 2 sowie eine möglichst geringe Druckänderung bei der Änderung des Volumens des Speicherfluids 1 durch Entnahme oder Zugabe des Arbeitsfluids 3 in der Arbeitskammer 8. Das wird erreicht, wenn das Verhältnis von Volumen des Speichers 2 zum Volumen der Arbeitskammer 8 möglichst groß ist. Es soll den Wert 5 nicht unterschreiten.
Für den Fall, dass der Speicher 2 nicht entsprechend groß im Verhältnis zur Arbeitskammer 8 ausgeführt werden kann, ist die Anordnung mit einem Wärmeübertrager 18 und einem Wärmespeicher 19 in der Leitung 10 zum Speicher 2 zu ergänzen. Dies ist in 4 dargestellt. Damit wird dem komprimierten Speicherfluid 1 vor der Lagerung im Speicher 2 Wärme entzogen, um die Änderung der Temperatur T_S im Speicher 2 möglichst gering zu halten.
Die dem Speicherfluid 1 im Wärmeübertrager 18 entzogene Wärme wird im Wärmespeicher 19 gelagert und dem Speicherfluid 1 bei der Expansion beziehungsweise bei der Entnahme aus dem Speicher 2 wieder zugeführt.
Die Arbeitskammer 8 sollte mit einer geeigneten Wärmedämmung ausgestattet sein, um die Wärmeverluste für das in der Arbeitskammer 8 verbliebene Speicherfluid 1 zu reduzieren. Zudem sollte das Arbeitsfluid 3 vom Speicherfluid 1 durch eine wärmedämmende Schicht getrennt sein, um die Wärmeübertragung vom Speicherfluid 1 zum Arbeitsfluid 3 gering zu halten.
Im Vergleich zu einem adiabaten Luftdruckspeicherwerk – wie es bereits erwähnt wurde – ist das Verhältnis zwischen dem Anfangsdruck p₁ und dem Enddruck p₂ wesentlich kleiner und damit auch die Temperaturänderung geringer. Ein Hochtemperaturwärmespeicher ist daher nicht erforderlich. Mit entsprechender Auslegung der Volumina kann die Temperaturerhöhung auf Werte begrenzt werden, die die Verwendung eines Fluids – vorzugsweise Wasser – als Wärmespeichermedium erlauben. Dann ist es ausreichend, den Wärmeübertrager 18 hochdruckfest auszuführen. Der Wärmespeicher 19 muss diese Forderung nicht erfüllen.
Der Wärmespeicher 19 ist in 4 mit zwei getrennten Kammern 20 und 21 skizziert, um den besonderen Anforderungen an die Temperaturverläufe des Speicherfluids 1 bei den Lade- und Entladevorgängen Rechnung zu tragen. Die Temperatur T_S im Speicher 2 ist nahezu konstant, und beim Laden des Speichers 2 muss die Temperatur des Speicherfluids 1 am speicherseitigen Ausgang des Wärmeübertragers 18 möglichst auf diesem Wert gehalten werden. In der Kammer 21 des Wärmespeichers 19 ist dazu Wärmespeicherfluid mit entsprechender Temperatur enthalten. Beim Laden des Speichers 2 wird kaltes Wärmespeicherfluid aus der Kammer 21 entnommen und im Gegenstrom zum komprimierten Speicherfluid 1 durch den Wärmeübertrager 18 geführt, so dass es die Kompressionswärme aufnehmen kann. Das erwärmte Wärmespeicherfluid wird in der Kammer 20 des Wärmespeichers 19 aufgenommen.
Die Temperatur T_A des Speicherfluids 1 in der Arbeitskammer 8 ist dagegen nicht konstant, sondern von der Druckänderung beim Laden des Speichers 2 abhängig. Aus dem Speicher 2 in die Arbeitskammer 8 verschobenes Speicherfluid 1 muss im Wärmeübertrager 18 möglichst wieder auf die Termperatur T_A in der Arbeitskammer 8 gebracht werden. Dazu kann die Kammer 20 des Wärmespeichers 19 als Schichtladespeicher ausgeführt sein, wie es aus dem Stand der Technik für solarthermische Anlagen zur Warmwasserbereitung hinreichend bekannt ist.
Zur Bereitstellung eines großen Speichervolumens 2 können große unterirdische Hohlräume genutzt werden, wenn die Anforderung an die Gasdichtigkeit bei maximalem Druck p_S in der Anlage erfüllt ist. Auch die Arbeitskammer 8 und der Behälter 9 können in unterirdischen Hohlräumen untergebracht werden.
Bei Überschreitung des Dampfdrucks des Speicherfluids 1 im Speicher 2 kann das Speicherfluid 1 kondensiert und in flüssiger Form 22 mit deutlich verringertem Volumen gespeichert werden. Da der Dampfdruck eines Fluids in der Regel mit der Temperatur steigt, muss die Temperatur T_S im Speicher 2 möglichst konstant gehalten werden. Dazu ist die bei der Kondensation freigesetzte Verdampfungsenthalpie des Speicherfluids 1 vor der Einlagerung im Speicher 2 abzuführen. Beim Entladen des Speichers 2 muss die Verdampfungsenthalpie wieder zugeführt werden, um das Absinken der Temperatur T_S und des Dampfdrucks im Speicher 2 zu vermeiden. Das Speicherfluid 1 soll dem Speicher 2 möglichst in flüssiger Form entnommen und die Verdampfungsenthalpie außerhalb des Speichers 2 zugeführt werden, um die Änderung der Temperatur T_S im Speicher 2 möglichst klein zu halten.
Ein gut geeignetes Speicherfluid 1 ist Kohlendioxid – es ist unbrennbar und ungiftig, der Dampfdruck liegt mit 57 bar bei 20°C gut im Bereich technisch sinnvoller Auslegungen. Die Speicherung von flüssigem Kohlendioxid in Druckgasflaschen ist eine etablierte Technik, aus sogenannten Steigrohrflaschen kann das Kohlendioxid in flüssiger Form entnommen werden.
In 5 ist eine weiterentwickelte Anordnung dargestellt, in der das Speicherfluid 1 im Speicher 2 kondensiert wird.

Claims

Verfahren zur Kompression eines Speicherfluids 1 in einer Anordnung zur Speicherung und Wiederabgabe großer Mengen elektrischer Energie gekennzeichnet durch (vgl. 2): a) Verwendung eines kompressiblen Speicherfluids 1 – vorzugsweise Luft – unter hohem mittleren Druck p_S zur Speicherung mechanischer Energie als Volumenänderungsarbeit in einem geschlossenen druckfesten Speicher 2, b) Verwendung eines nahezu inkompressiblen Arbeitsfluids 3 bei der Umwandlung von Antriebsenergie in Druckenergie mit Hilfe einer Pumpe 4 einerseits und der Umwandlung von Druckenergie in Antriebsenergie in einer Fluidarbeitsmaschine 6 andererseits, c) Trennung des nutzbaren Arbeitsdruckgefälles p_S zu p_U bei der Energieumwandlung mit Hilfe des Arbeitsfluids 3 von der Druckänderung Δp_S des kompressiblen Speicherfluids 1 bei Lade- und Entladevorgängen durch den Verbleib des Speicherfluids 1 im Speicher 2 und in der Arbeitskammer 8, d) Kompression des Speicherfluids 1 in der Arbeitskammer 8 durch Einpumpen des Arbeitsfluids 3 aus dem Behälter 9 bei geschlossenen Absperrorganen 13 und 14, dadurch Verringerung des Volumens des Speicherfluids 1 und Erhöhung des Drucks p_A in der Arbeitskammer 8, e) Zufuhr von Speicherfluid 1 in den Speicher 2 und damit Erhöhung des Drucks p_S durch Öffnen des Absperrorgans 14 in der Verbindungsleitung 10, wenn der Druck p_A in der Arbeitskammer 8 größer als der Druck p_S im Speicher 2 ist, zum Ausgleich der Drücke p_A in Arbeitskammer 8 und p_S im Speicher 2, f) Schließen des Absperrorgans 14 und Öffnen des Absperrorgans 13, wenn der maximale Füllstand H des Arbeitsfluids 3 in der Arbeitskammer 8 erreicht ist und die Drücke p_A in der Arbeitskammer 8 und p_S im Speicher 2 angeglichen sind, g) Rückführung des Arbeitsfluids 3 aus der Arbeitskammer 8 in den Behälter 9 und Einströmen des Speicherfluids 1 durch das geöffnete Absperrorgan 13 in das vom Arbeitsfluid 3 freigegebene Volumen in der Arbeitskammer 8, h) Schließen des Absperrorgans 13, wenn die zu komprimierende Menge an Speicherfluid 1 in der Arbeitskammer 8 vorhanden ist, i) Wiederholung der Schritte d) bis h), bis der gewünschte Druck p_S im Speicher 2 erreicht ist. j) Entnahme von Energie aus dem Speicher 2 durch Expansion des Speicherfluids 1, wobei der Druck p_S das Arbeitsfluid 3 durch eine Fluidarbeitsmaschine 6 zum niedrigeren Druck p_U treibt, k) Umwandlung der Druckenergie des Arbeitsfluids 3 in einer Fluidarbeitsmaschine 6 zum Antrieb eines Generators 7 zur Erzeugung elektrischer Energie.
Anordnung zur Speicherung und Wiederabgabe von elektrischer Energie und Nutzung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 mit folgenden Merkmalen (vgl. 2): a) Der Druckspeicher 2 enthält in allen Betriebszuständen nur das kompressible Speicherfluid 1 – vorzugsweise Luft. b) Die Arbeitskammer 8 enthält das kompressible Speicherfluid 1 sowie das nahezu inkompressible Arbeitsfluid 3 – vorzugsweise Wasser – mit dem Füllstand H. c) Die Arbeitskammer 8 ist mit dem Speicher 2 über die Leitung 10 verbunden, so dass bei geöffnetem Absperrorgan 14 der Druck p_S im Speicher 2 und der Druck p_A in der Arbeitskammer 8 gleich groß sind. Die Leitung 10 ist an der höchsten Stelle in der Arbeitskammer 8 angeschlossen. d) Der Behälter 9 enthält Arbeitsfluid 3 und ist vorzugsweise zur Umgebung offen. Eine geschlossene Ausführung ist mit einem gesteuerten Druckausgleich zur Umgebung versehen. e) Der Behälter 9 ist so bemessen, dass er das gesamte Arbeitsfluid 3 aus der Arbeitskammer 8 aufnehmen kann. f) Zur Speicherung von Energie wird das Arbeitsfluid 3 aus dem Behälter 9 an der tiefsten Stelle entnommen und mit Hilfe der Pumpe 4 in die Arbeitskammer 8 gepumpt. Dazu wird das Absperrorgan 11 geöffnet. g) Die Pumpe 4 wird durch einen Elektromotor 5 angetrieben. h) Zur Entnahme von Energie wird das Arbeitsfluid 3 aus der Arbeitskammer 8 an der tiefsten Stelle entnommen und strömt – vom hohen Druck p_A in der Arbeitskammer 8 durch die Fluidarbeitsmaschine 6 zum wesentlich niedrigeren Druck p_U getrieben – in den Behälter 9. Dazu wird das Absperrorgan 12 geöffnet. i) Die Druckenergie des Arbeitsfluids 3 wird in der Fluidarbeitsmaschine 6 in Antriebsenergie für den Generator 7 umgewandelt. j) Der mittlere Druck p_S im Speicher 2 und in der Arbeitskammer 8 ist in allen Betriebszuständen wesentlich höher als der Druck p_U im Behälter 9. k) Das Volumen des Speichers 2 ist groß im Verhältnis zum Volumen der Arbeitskammer 8. Zur Begrenzung der Termperaturänderung und dadurch bedingter Wärmeverluste im Speicher 2 beträgt dessen Volumen vorzugsweise mindestens das Fünffache des Volumens der Arbeitskammer 8. l) Bei minimalem Füllstand H des Arbeitsfluids 3 in der Arbeitskammer 8 kann der Anlage keine weitere Energie mehr entnommen werden. m) Mit Hilfe des Absperrorgans 14 kann die Verbindung 10 zwischen dem Speicher 2 und der Arbeitskammer 8 getrennt und der Druck p_A in der Arbeitskammer 8 vom Druck p_S im Speicher 2 entkoppelt werden. n) Durch das Absperrorgan 13 kann Speicherfluid 1 aus der Arbeitskammer 8 entnommen oder hinzugefügt werden. o) Durch Öffnen und Schließen der Absperrorgane 13 und 14 kann die Anordnung zur Kompression des Speicherfluids 1 und damit zur Erhöhung des mittleren Drucks p_S im Speicher 2 mit Hilfe des Arbeitsfluids 3 und der Pumpe 4 nach dem in Anspruch 1 beschriebenen Verfahren verwendet werden. p) Der Druck p_A in der Arbeitskammer 8 kann durch das Schließen des Absperrorgans 14 und Öffnen des Absperrorgans 13 bis auf den Druck p_U im Behälter 9 gesenkt werden. Dann kann das Arbeitsfluid 3 aus dem Behälter 9 mit geringem Energieaufwand in die Arbeitskammer 8 zurückgeführt werden. Wenn der maximale Füllstand H erreicht ist, wird das Absperrorgan 13 geschlossen und das Absperrorgan 14 geöffnet.
Anordnung zur Speicherung und Wiederabgabe von elektrische Energie nach Anspruch 2 mit folgenden Merkmalen (vgl. 3): a) Die Anordnung verwendet ausschließlich Luft als Speicherfluid 1. b) Zwischen dem Absperrorgan 13 und der Umgebung ist eine Gasturbine 16 mit einer Brennkammer 15 angeordnet. c) Nach Öffnen des Absperrorgans 13 kann das Speicherfluid 1 durch die Brennkammer 15 und die Gasturbine 16 strömen, wobei der Druck des Speicherfluids 1 beziehungsweise der Verbrennungsgase in der Gasturbine 16 auf den Umgebungsdruck p_U abgebaut wird. d) Die Gasturbine 16 treibt einen elektrischen Generator 17 an. e) Die Gasturbine 16 ist für einen großen Variationsbereich des Druckverhältnisses ausgelegt. f) Die Temperatur des Speicherfluids 1 wird vor dem Eintritt in die Gasturbine 16 in der Brennkammer 15 durch einen Verbrennungsprozess angehoben. g) Alternativ kann die Brennkammer 15 durch einen Wärmeübertrager 15' ersetzt werden, um eine äußere Wärmequelle zur Temperaturanhebung zu nutzen. h) Bei Verwendung eines Wärmeübertragers 15' anstelle der Brennkammer 15, eines Kompressors 16' anstelle der Turbine 16 und eines Motors 17' anstelle des Generators 17 kann der Druck in der Arbeitskammer 8 ohne Veränderung des Füllstands H des Arbeitsfluids 3 erhöht werden. Dabei wird die erzeugte Kompressionswärme dem Speicherfluid 1 in dem Wärmeübertrager 15' vor dem Eintritt in die Arbeitskammer 8 entzogen, um einen Anstieg der Temperatur T_A in der Arbeitskammer 8 zu vermeiden.
Anordnung zur Speicherung und Wiederabgabe von elektrische Energie nach Anspruch 2 mit folgenden Merkmalen (vgl. 4): a) Ein hochdruckfester Wärmeübertrager 18 ist in der Leitung 10 von der Arbeitskammer 8 zum Speicher 2 eingefügt. b) Der Wärmeübertrager 18 wird von einem Wärmespeicherfluid – vorzugsweise Wasser – durchströmt, das von einem Wärmespeicher 19 aufgenommen wird. c) Im Wärmeübertrager 18 wird beim Laden des Speichers 2 dem Speicherfluid 1 Kompressionswärme entzogen. d) Im Wärmeübertrager 18 wird beim Entladen des Speichers 2 dem Speicherfluid 1 Wärme zugeführt. e) Der Wärmespeicher 19 enthält zwei Kammern 20 und 21 zur Aufnahme des Wärmespeicherfluids, wobei die Kammer 21 nur Wärmespeicherfluid von niedrigem Temperaturniveau und die Kammer 20 Wärmespeicherfluid von hohem Temperaturniveau enthält. f) Die Kammer 20 ist vorzugsweise als Schichtladespeicher ausgeführt. g) Die Wandung der Arbeitskammer 8 ist mit einer Wärmedämmung versehen. h) Das Speicherfluid 1 ist vom Arbeitsfluid 3 in der Arbeitskammer 8 durch eine verschiebbare, wärmedämmende Schicht getrennt.
Anordnung zur Speicherung und Wiederabgabe von elektrischer Energie nach dem Anspruch 4 mit folgenden Merkmalen (vgl. 5): a) Verwendung eines Speicherfluids 1 – vorzugsweise Kohlendioxid –, das im Speicher 2 in flüssiger Form 22 gelagert wird. b) Ein hochdruckfester Wärmeübertrager 18 ist in der Leitung 10 von der Arbeitskammer 8 zum Speicher 2 eingefügt. c) Der Wärmeübertrager 18 wird von einem Wärmespeicherfluid – vorzugsweise Wasser – durchströmt, das von einem Wärmespeicher 19 aufgenommen wird. d) Das Speicherfluid 1 wird beim Ladevorgang im Wärmeübertrager 18 kondensiert und dem Speicher 2 in flüssiger Form zugeführt. e) Das Speicherfluid 1 kann dem Speicher 2 in flüssiger Form entnommen und im Wärmeübertrager 18 verdampft werden. f) Der Wärmespeicher 19 enthält zwei Kammern 20 und 21 zur Aufnahme des Wärmespeicherfluids, wobei die Kammer 21 nur Wärmespeicherfluid von niedrigem Temperaturniveau und die Kammer 20 Wärmespeicherfluid von hohem Temperaturniveau enthält. g) Beim Laden des Speichers 2 wird das Wärmespeicherfluid aus der Kammer 21 in die Kammer 20 gepumpt, wobei die bei der Kondensation des Speicherfluids 1 im Wärmeübertrager 18 freigesetzte Verdampfungsenthalpie aufgenommen und das Speicherfluid 1 auf die Temperatur T_S abgekühlt wird. h) Beim Entladen des Speichers 2 wird das Wärmespeicherfluid aus der Kammer 20 in die Kammer 21 gepumpt, wobei das flüssige Speicherfluid 1 im Wärmeübertrager 18 erwärmt und verdampft wird. i) Die Wandung der Arbeitskammer 8 ist mit einer Wärmedämmung versehen. j) Das Speicherfluid 1 ist vom Arbeitsfluid 3 in der Arbeitskammer 8 durch eine verschiebbare, wärmedämmende Schicht 23 getrennt. k) Die verschiebbare, wärmedämmende Schicht 23 ist undurchlässig für das Speicherfluid 1 und das Arbeitsfluid 3. l) Die Leitung 10 ist im Speicher 2 als Steigleitung ausgeführt und endet unterhalb der Oberfläche der Flüssigkeit 22. Das Speicherfluid 1 kann so dem Speicher 2 in flüssiger Form entnommen werden.