DE102013113252B4

DE102013113252B4 - Einrichtung mit wenigstens einer Kraft- und/oder Arbeitsmaschine, Pumpspeicherkraftwerk, industrielle Anlage und Verfahren zu deren Betrieb

Info

Publication number: DE102013113252B4
Application number: DE102013113252.9A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Littmann
Original assignee: NASSER BERG EN GmbH; NASSER BERG ENERGIE GmbH
Current assignee: Erneo Energiespeichersysteme GmbH
Priority date: 2013-11-29
Filing date: 2013-11-29
Publication date: 2016-02-11
Anticipated expiration: 2033-11-30
Also published as: DE102013113252A1

Abstract

Einrichtung (40) mit wenigstens einer Kraft- und/oder Arbeitsmaschine (41), wobei die Einrichtung (40) dazu eingerichtet ist, ein fluidisches Speichermedium (4, 5, 6, 7) von einem ersten Speicherraum (11) in einen davon getrennten zweiten Speicherraum (12) zu transportieren oder aufgrund eines solchen Transports des Speichermediums (4, 5, 6, 7) Energie abzugeben, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (40) wenigstens einen Speichermedium-Betriebskreis und wenigstens einen vom Speichermedium-Betriebskreis getrennten Arbeitsmedium-Betriebskreis aufweist, in dem ein fluidisches Arbeitsmedium vorhanden ist, das in direktem Kontakt mit der Kraft- und/oder Arbeitsmaschine (41) ist, wobei die Einrichtung (40) wenigstens ein Betriebskreis-Trennungsmittel (44, 47) aufweist, das eine Vermischung zwischen dem Speichermedium (4, 5, 6, 7) und dem Arbeitsmedium verhindert und die Einrichtung (40) wenigstens zwei voneinander getrennte Arbeitskammern (42, 43) aufweist, in denen während des Betriebs der Einrichtung (40) variierende Mengen sowohl des Speichermediums (4, 5, 6, 7) als auch des Arbeitsmediums gespeichert sind.

Description

Einrichtung mit wenigstens einer Kraft- und/oder Arbeitsmaschine, Pumpspeicherkraftwerk, industrielle Anlage und Verfahren zu deren Betrieb Die Erfindung betrifft eine Einrichtung mit wenigstens einer Kraft- und/oder Arbeitsmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein Pumpspeicherkraftwerk gemäß dem Anspruch 13, eine industrielle Anlage gemäß dem Anspruch 17 sowie ein Betriebsverfahren zum Betrieb einer Anlage mit wenigstens einer Einrichtung der eingangs erwähnten Art gemäß dem Anspruch 18.
Allgemein betrifft die Erfindung das Gebiet des Transports fluidischer Medien unter Beteiligung einer Kraft- und/oder Arbeitsmaschine. Als fluidische Medien kommen dabei grundsätzlich alle flüssigen und gasförmigen Medien in Betracht. Der Transport des fluidischen Mediums unter Beteiligung der Kraft- und/oder Arbeitsmaschine kann ein Prozess sein, bei dem der Kraft- und/oder Arbeitsmaschine Energie zugeführt wird, um den Transport des fluidischen Mediums durchzuführen oder zumindest zu unterstützen. Es kann auch ein Prozess der Energieabgabe, z. B. an einen Energieversorgungsnetz, sein, bei dem die Kraft- und/oder Arbeitsmaschine Energie abgibt, z. B. infolge eines Fliessens des fluidischen Mediums infolge von Schwerkrafteinfluss. In diesem Fall führt ein solcher Transport des fluidischen Mediums zur Abgabe von Energie. Da mit solchen Prozessen sowohl eine Energiespeicherung als auch eine Energieabgabe möglich ist, wird das zuvor genannte fluidische Medium in diesem Zusammenhang als auch Speichermedium bezeichnet.
In der WO 2013/064276 A2 wird unter Anderem bereits vorgeschlagen, eine Einrichtung mit wenigstens einer Kraft- und/oder Arbeitsmaschine im Betrieb eines Pumpspeicherkraftwerks einzusetzen. Mittels der Kraft- und/oder Arbeitsmaschine kann z. B. ein flüssiges Speichermedium, z. B. Salzsole, von einem Speicherraum in einen anderen Speicherraum transportiert werden.
Die DE 10 2004 047 290 A1 offenbart eine Einrichtung mit einer Arbeitsmaschine mit zwei Speicherräumen. Ein fluidisches Speichermedium wird von einem ersten Speicherraum in einen zweiten Speicherraum transportiert, um über eine Turbine Energie abzugeben. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Pumpspeicherkraftwerke und andere Anlagen, in denen wenigstens eine Kraft- und/oder Arbeitsmaschine an dem Transport eines fluidischen Speichermediums beteiligt ist, hinsichtlich der Einsatzmöglichkeiten funktions- und kostenmäßig zu optimieren.
Diese Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 gelöst durch eine Einrichtung mit wenigstens einer Kraft- und/oder Arbeitsmaschine, wobei die Einrichtung dazu eingerichtet ist, ein fluidisches Speichermedium von einem ersten Speicherraum in einen davon getrennten zweiten Speicherraum zu transportieren oder aufgrund eines solchen Transports des Speichermediums Energie abzugeben, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung wenigstens einen Speichermedium-Betriebskreis und wenigstens einen vom Speichermedium-Betriebskreis getrennten Arbeitsmedium-Betriebskreis aufweist, in dem ein fluidisches Arbeitsmedium vorhanden ist, das in direktem Kontakt mit der Kraft- und/oder Arbeitsmaschine ist, wobei die Einrichtung wenigstens ein Betriebskreis-Trennungsmittel aufweist, das eine Vermischung zwischen dem Speichermedium und dem Arbeitsmedium verhindert und die Einrichtung (40) wenigstens zwei voneinander getrennte Arbeitskammern (42, 43) aufweist, in denen während des Betriebs der Einrichtung (40) variierende Mengen sowohl des Speichermediums (4, 5, 6, 7) als auch des Arbeitsmediums gespeichert sind. Die Kraft- und/oder Arbeitsmaschine kann z. B. als Pumpe, als Turbine, oder als Pumpturbine ausgebildet sein. Die Erfindung hat den Vorteil, dass durch die Einführung wenigstens zweier getrennter Betriebskreise das Speichermedium von der Kraft- und/oder Arbeitsmaschine ferngehalten werden kann und nur das Arbeitsmedium in direkten Kontakt mit der Kraft- und/oder Arbeitsmaschine kommt. Das Arbeitsmedium kann dabei durch die Kraft- und/oder Arbeitsmaschine gepumpt werden oder durch diese – im Falle der Energieabgabe – hindurchfließen und die Kraft- und/oder Arbeitsmaschine antreiben. Hierbei können z. B. Verunreinigungen des Speichermediums von der Kraft- und/oder Arbeitsmaschine ferngehalten werden, ohne dass eine aufwendige Filterung erforderlich ist. Ferner ist es möglich, Speichermedien einzusetzen, die aggressive und insbesondere für Maschinen schädliche Substanzen enthalten. Darüber hinaus wird es möglich, die Kraft- und/oder Arbeitsmaschine einfacher und Kostengünstiger zu realisieren, da dort Materialien und insbesondere Dichtungen verwendet werden können, die nicht besonders spezifiziert werden müssen. Somit können allgemein erhältliche, preisgünstige Komponenten eingesetzt werden.
Auf diese Weise kann das fluidische Speichermedium von dem ersten Speicherraum in den zweiten Speicherraum oder umgekehrt transportiert werden, ohne dass es die Kraft- und/oder Arbeitsmaschine passiert. Stattdessen kann das Arbeitsmedium durch die Kraft- und/oder Arbeitsmaschine gefördert werden und darüber indirekt das Speichermedium.
Im Allgemeinen wird man bei der erfindungsgemäßen Einrichtung für das Arbeitsmedium ein anderes Fluid, d. h. eine andere Substanz, verwenden als für das Speichermedium. Es ist aber auch möglich, dasselbe Fluid sowohl als Arbeitsmedium als auch als Speichermedium zu verwenden. Auch in diesem Fall hat die erfindungsgemäße Trennung des Arbeitsmediums-Betriebskreises vom Speichermedium-Betriebskreis Vorteile. So kann z. B. das Arbeitsmedium thermisch vom Speichermedium entkoppelt werden, sodass z. B. ein Speichermedium auf hohem Temperaturniveau verwendet werden kann, während das Arbeitsmedium auf deutlich geringerem Temperaturniveau liegt. Auch dies vereinfacht die Auslegung und Konstruktion der Kraft- und/oder Arbeitsmaschine, z. B. hinsichtlich der Temperaturbeständigkeit der darin verwendeten Dichtungen oder von Turbinenschaufeln.
Ein weiterer Vorteil der definierten Trennung zwischen Speichermedium und Arbeitsmedium ist, dass unerwünschte Gaseinschlüsse, wie z. B. Luftblasen, im Arbeitsmedium und damit in der Kraft- und/oder Arbeitsmaschine definiert vermieden werden können. Im Hinblick auf das Speichermedium sind diesbezüglich keine besonderen Maßnahmen zu treffen. Es ist insbesondere unschädlich für die Kraft- und/oder Arbeitsmaschine, wenn sich im Speichermedium unerwünschte Gaseinschlüsse befinden. Diese können zumindest keine schädlichen Auswirkungen auf die Kraft- und/oder Arbeitsmaschine haben und können somit nicht zu Wirkungsgradverlusten oder Beeinträchtigungen der Kraft- und/oder Arbeitsmaschine führen.
Wird als Speichermedium ein Gas verwendet, hat die erfindungsgemäße Trennung in die wenigstens zwei verschiedenen Betriebskreise den Vorteil, dass einfach aufgebaute Kraft- und/oder Arbeitsmaschinen z. B. für den Entspannungsprozess des unter Druck gesetzten Gases verwendet werden können. Da bei Verwendung eines anderen Arbeitsmediums, z. B. eines flüssigen Arbeitsmediums, die bei der Entspannung des Gases auftretenden, gegebenenfalls der großen Druckschwankungen keinen direkten Einfluss auf die Kraft- und/oder Arbeitsmaschine haben, muss diese nicht speziell auf solche extremen Druckschwankungen ausgelegt sein. Stattdessen können z. B. marktgängige Turbinen zum Einsatz kommen, wie sie bereits in Wärmekraftwerken und in der Prozessindustrie eingesetzt werden, wobei Dampf entspannt oder für industrielle Verfahren erzeugt wird. Die Auslegung solcher Turbinen zielt dabei auf hohe Temperaturen, die Entspannung erfolgt üblicherweise gegen Atmosphärendruck. Die verwendeten Turbinen müssen damit nicht speziell auf ausreichende Dichtigkeit unter hohem Druck ausgelegt sein. Vielmehr können übliche Dichtungen weiterverwendet werden.
Im Falle der Energiespeicherung mittels Pumpturbinen für Flüssigkeiten können mögliche Beeinträchtigungen bei Verunreinigungen und Lösungsprozessen innerhalb der Flüssigkeit auch ohne Verwendung spezieller Materialien und/oder Beschichtungen der Pumpturbineneinheit vermieden werden. Speziell abgestimmte Fahrweisen des Flüssigkeitstransports sind ebenfalls nicht erforderlich. Damit können Kosten beim Betrieb und hinsichtlich der Investitionen in die Maschineneinheit gespart werden. Eingeschränkte Betriebsfahrweisen des Energiespeicherprozesses sind damit ebenfalls nicht erforderlich.
Die erfindungsgemäße Einrichtung weist wenigstens zwei voneinander getrennte Arbeitskammern auf, in denen während des Betriebs der Einrichtung variierende Mengen sowohl des Speichermediums als auch des Arbeitsmediums gespeichert sind. Es ist vorteilhaft, wenn die wenigstens zwei Arbeitskammern jeweils wenigstens ein Betriebskreis-Trennungsmittel zur Trennung des Arbeitsmediums von dem Speichermedium aufweisen. Durch ein solches Betriebskreis-Trennungsmittel wird eine Arbeitskammer sozusagen in eine Speichermedium-Teilkammer und in eine Arbeitsmedium-Teilkammer unterteilt. Vorteilhaft kann dabei ferner vorgesehen sein, dass durch eine Steuereinrichtung gesteuert bei einer Entnahme von Arbeitsmedium aus der Arbeitsmedium-Teilkammer einer Arbeitskammer zugleich Speichermedium in die Speichermedium-Teilkammer derselben Arbeitskammer nachgefüllt wird. Ferner kann ein Kreislauf derart vorgesehen sein, dass das aus einer Arbeitskammer entnommene Arbeitsmedium über die Kraft- und/oder Arbeitsmaschine in die Arbeitsmedium-Teilkammer der anderen Arbeitskammer geleitet wird. Zugleich kann Speichermedium aus der Speichermedium-Teilkammer dieser Arbeitskammer entsprechend der Menge des eingefüllten Arbeitsmediums in einem der Speicherräume abgeführt werden. Auf diese Weise kann ein Transport von Speichermedium von dem ersten Speicherraum in den zweiten Speicherraum auf indirekte Art dadurch erfolgen, dass die Menge an Speichermedium, die aus dem ersten Speicherraum in die erste Arbeitskammer geleitet wird, in einer entsprechenden Menge aus der zweiten Arbeitskammer entnommen wird und in den zweiten Speicherraum geführt wird. Durch Steuerung mittels der Steuerungseinrichtung kann dann, wenn bei einer der Arbeitskammern das Arbeitsmedium oder das Speichermedium ganz oder wenigstens nahezu ganz entleert ist, zwischen den Arbeitskammern derart umgeschaltet werden, dass die erste Arbeitskammer die bisherige Funktion der zweiten Arbeitskammer übernimmt und umgekehrt. Auf diese Weise kann ein kontinuierlicher Prozess des Transports des Speichermediums von dem ersten Speicherraum in den zweiten Speicherraum über die zwei Arbeitskammern gewährleistet werden. Selbstverständlich kann auch ein umgekehrter Prozess des Transports des Speichermediums von dem zweiten Speicherraum in den ersten Speicherraum durchgeführt werden.
Auf diese Weise wird das Arbeitsmedium während des Betriebes der Kraft- und/oder Arbeitsmaschine in der Arbeitskammer durch das Speichermedium verdrängt. In der jeweils anderen Arbeitskammer findet ein umgekehrter Prozess statt, nämlich eine Verdrängung des Speichermediums durch das Arbeitsmedium.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Betriebskreis-Trennungsmittel als dehnbare Membran und/oder als verschieblicher Kolben mit oder ohne Dichtung ausgebildet. Je nach Art der Ausgestaltung der Einrichtung kann bei einer oder mehreren Arbeitskammern eine dehnbare Membran und bei einer oder mehreren anderen Arbeitskammern ein verschieblicher Kolben vorhanden sein. Es können auch sämtliche Arbeitskammern mit einer dehnbaren Membran oder einem verschieblichen Kolben ausgebildet sein.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind eine, mehrere oder alle Arbeitskammern als Innenraum eines rohrförmigen Körpers, eines kesselförmigen Körpers und/oder eines über- oder unterirdischen Hohlraums ausgebildet. Die Arbeitskammern können alle gleichartig oder unterschiedlich ausgebildet sein. Im Falle eines über- oder unterirdischen Hohlraums kann insbesondere eine Kaverne verwendet werden, wie z. B. bereits vorhandene Kavernen in Salzstöcken. Die genannten Realisierungsmöglichkeiten der Arbeitskammern haben den Vorteil, dass die erfindungsgemäße Einrichtung kostengünstig bereitgestellt werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Einrichtung wenigstens eine erste Ventileinrichtung zur Verbindung eines eingangsseitigen Anschlusses der Kraft- und/oder Arbeitsmaschine wahlweise mit der ersten oder der zweiten Arbeitskammer und zur Verbindung eines Ausgangsanschlusses der Kraft- und/oder Arbeitsmaschine wahlweise mit der ersten oder zweiten Arbeitskammer auf. Die erste Ventileinrichtung kann dabei eines oder mehrere elektrisch, pneumatisch, hydraulisch und/oder manuell betätigbare Einzelventile aufweisen. Vorteilhaft sind insbesondere von einer Steuerungseinrichtung automatisch betätigbare Ventile.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Einrichtung eine Steuerungseinrichtung auf, die zum Betätigen der ersten Ventileinrichtung derart eingerichtet ist, dass bei Verbindung des Eingangsanschlusses der Kraft- und/oder Arbeitsmaschine mit einer der Arbeitskammern der Ausgangsanschluss der Kraft- und/oder Arbeitsmaschine mit einer anderen Arbeitskammer verbunden ist. Auch hierdurch wird der bereits erwähnte kontinuierliche wechselweise Befüll- und Entleerungsprozess der Arbeitskammern gefördert. Durch die erste Ventileinrichtung werden der Eingangsanschluss bzw. der Ausgangsanschluss der Kraft- und/oder Arbeitsmaschine insbesondere mit einer jeweiligen Arbeitsmedium-Teilkammer der Arbeitskammern verbunden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Einrichtung wenigstens eine zweite Ventileinrichtung zur Verbindung des ersten Speicherraums wahlweise mit der ersten oder der zweiten Arbeitskammer und zur Verbindung des zweiten Speicherraums wahlweise mit der ersten oder der zweiten Arbeitskammer auf. Hierbei kann insbesondere die Speichermedium-Teilkammer einer Arbeitskammer mit dem ersten bzw. dem zweiten Speicherraum verbunden werden. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Einrichtung wenigstens eine Steuerungseinrichtung auf, die zum Betätigen der zweiten Ventileinrichtung derart eingerichtet ist, dass bei Verbindung des ersten Speicherraums mit einer der Arbeitskammern der zweite Speicherraum mit einer anderen Arbeitskammer verbunden ist.
Die bereits erwähnten Steuereinrichtungen können baulich zu einer Steuereinrichtung zusammengefasst sein oder als einzelne Steuereinrichtung ausgebildet sein. Die Steuereinrichtung kann als elektronische Steuereinrichtung ausgebildet sein. Sind mehrere Steuerungseinrichtungen vorgesehen, ist es vorteilhaft, diese zur Datenkommunikation miteinander zu koppeln, z. B. über Datenkommunikationsleitungen oder drahtlose Datenkommunikation.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Arbeitsmedium im Wesentlichen frei von den Kraft- und/oder Arbeitsmaschine schädigenden Inhaltsstoffen. Auf diese Weise wird vermieden, dass die Kraft- und/oder Arbeitsmaschine in Kontakt mit Inhaltsstoffen kommt, die sie während des Betriebes schädigen können. Als Arbeitsmedium kann z. B. Süsswasser, speziell aufbereitetes und entgastes Süsswasser oder Mineralöl verwendet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die erste und/oder die zweite Arbeitskammer mit wenigstens einer Druckausgleichskammer verbunden oder über eine betätigbare Ventileinrichtung verbindbar. Dies hat den Vorteil, dass mittels der Druckausgleichskammer oder der Druckausgleichskammern im System auftretende Druckspitzen gedämpft werden können. Ferner ist es möglich, ein bestimmtes gewünschtes Druckniveau am eingangsseitigen Anschluss und/oder am ausgangsseitigen Anschluss der Kraft- und/oder Arbeitsmaschine einzustellen. Durch entsprechende Betätigung der betätigbaren Ventileinrichtungen kann eine Druckregelung durchgeführt werden, z. B. durch eine Steuerungseinrichtung. Die Druckregelung kann wahlweise auf die verschiedenen Druckausgleichskammern entsprechend dem erforderlichen Druckniveau angewandt werden. Die Druckausgleichskammer kann z. B. der Innenraum eines beliebigen Hohlkörpers sein, z. B. eines rohrförmigen Körpers, eines kesselförmigen Körpers und/oder eines über- oder unterirdischen Hohlraums.
Anstatt nur zwei Arbeitskammern können auch mehr Arbeitskammern vorhandnen sein, z. B. zu Redundanzzwecken oder um bestimmte Arbeitskammern für Wartungszwecke vorübergehend ausser Betrieb zu nehmen. Ein weiterer Vorteil der Verwendung einer größeren Anzahl von Arbeitskammern liegt darin, dass der gesamte Transportprozess des Speichermediums noch gleichmäßiger gestaltet werden kann.
Die eingangs genannte Aufgabe wird ferner gemäß Anspruch 13 gelöst durch ein Pumpspeicherkraftwerk zur Energiespeicherung und/oder Abgabe gespeicherter Energie, wobei das Pumpspeicherkraftwerk für die Energiespeicherung und/oder die Abgabe gespeicherter Energie wenigstens eine Einrichtung der zuvor beschriebenen Art aufweist. Dies hat den Vorteil, dass das Pumpspeicherkraftwerk z. B. mit Salzsole als Speichermedium betrieben werden kann und eine Kraft- und/oder Arbeitsmaschine in besonders kostengünstiger Auslegung eingesetzt werden kann, die mit einem anderen Arbeitsmedium als der Salzsole betrieben wird, z. B. mit Süsswasser. Hierdurch können insbesondere Kosten für die Auslegung von Dichtungen und Turbinenschaufeln reduziert werden. Ferner können Folgekosten für Wartung und Reparatur minimiert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Pumpspeicherkraftwerk als ersten Speicherraum wenigstens einen Untertage angeordneten unteren Speicherraum und als zweiten Speicherraum wenigstens einen vom unteren Speicherraum getrennten Über- oder Untertage angeordneten oberen Speicherraum auf, wobei der untere Speicherraum in einer größeren Teufe angeordnet ist als der obere Speicherraum oder auf gleicher Teufenlage. Dies hat den Vorteil, dass in einem Betriebsmodus, in dem durch das Pumpspeicherkraftwerk gespeicherte Energie abgegeben wird, Speichermedium schwerkraftbedingt vom oberen Speicherraum in den unteren Speicherraum transportiert werden kann und dabei über die erfindungsgemäße Einrichtung bzw. deren Kraft- und/oder Arbeitsmaschine Energie abgegeben werden kann. Im umgekehrten Fall, nämlich bei einer Energiespeicherung, kann die zu speichernde Energie zum Antrieb der Kraft- und/oder Arbeitsmaschine eingesetzt werden und mit dieser dann Speichermedium vom unteren Speicherraum in den oberen Speicherraum aufwärts transportiert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Pumpspeicherkraftwerk wenigstens eine in den oberen Speicherraum geführte erste Flüssigkeitsleitung und wenigstens eine in den unteren Speicherraum geführte zweite Flüssigkeitsleitung aufweist, wobei die erste und die zweite Flüssigkeitsleitung mit wenigstens einer Einrichtung der zuvor beschriebenen Art verbunden oder über schaltbare Ventile verbindbar sind, und mit wenigstens einer in den oberen Speicherraum geführten ersten Druckgasleitung und wenigstens einer in den unteren Speicherraum geführten zweiten Druckgasleitung, wobei die erste und die zweite Druckgasleitung mit einer Druckgas-Kraft- und/oder Arbeitsmaschine des Pumpspeicherkraftwerks verbunden oder über schaltbare Ventile verbindbar sind. Dies hat den Vorteil, dass das Pumpspeicherkraftwerk sowohl zur Energiespeicherung mittels des flüssigen Speichermediums als auch zur Energiespeicherung durch Druckgas eingesetzt werden kann, auch kombiniert miteinander. So kann insbesondere Energie in Form von Druckgas gespeichert werden, wenn eine kurz- bis mittelfristige Energiespeicherung erfolgen soll. Eine Energiespeicherung mittels des flüssigen Speichermediums erfolgt dann, wenn eine mittel- bis langfristige Energiespeicherung stattfinden soll.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann ein Druckausgleich im Betrieb des oberen und/oder des unteren Speicherraums über die erste bzw. die zweite Druckgasleitung erfolgen. Es kann auch eine Druckausgleichsverbindung zwischen dem oberen und dem unteren Speicherraum vorgesehen werden, die zum Druckausgleich im Betrieb des oberen und/oder des unteren Speicherraums eingesetzt wird.
Die Druckgas-Kraft- und/oder Arbeitsmaschine kann in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ebenfalls als eine erfindungsgemäße Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ausgebildet sein.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Pumpspeicherkraftwerk eine Steuerungseinrichtung aufweist, die zur Steuerung des Pumpspeicherkraftwerks derart eingerichtet ist, dass das Speichermedium von dem oberen Speicherraum in den unteren Speicherraum und umgekehrt durch die erste und die zweite Flüssigkeitsleitung und die Einrichtung der zuvor beschriebenen Art transportiert wird, und die Druckgas-Kraft- und/oder Arbeitsmaschine zum wahlfreien Erzeugen eines Gasdrucks eines Druckgases wenigstens in dem unteren Speicherraum eingerichtet ist, der von einem Gasdruck in dem oberen Speicherraum abweichen kann.
Der obere Speicherraum ist damit vom unteren Speicherraum hinsichtlich des Gasdrucks entkoppelt, z. B. dadurch, dass keine direkte Verbindung zwischen den Druckgasleitungen besteht. Dies eröffnet die Möglichkeit, durch entsprechende Gasdruckerhöhung in dem unteren Speicherraum den Transport des flüssigen Speichermediums von dem unteren Speicherraum in den oberen Speicherraum durch den Gasdruck zu unterstützen, entweder derart, dass das flüssige Speichermedium allein durch den erhöhten Gasdruck des unteren Speicherraums in den oberen Speicherraum gefördert wird, oder ggf. durch zusätzliche Unterstützung mittels einer Flüssigkeitspumpe oder der Einrichtung der zuvor beschriebenen Art von dem unteren Speicherraum in den oberen Speicherraum gefördert wird. Dies hat wiederum den Vorteil, dass im Bereich des unteren Speicherraums, der sich in großer Tiefe unter der Erdoberfläche befinden kann, keine Flüssigkeitspumpe oder andere Aggregate erforderlich sind. Vielmehr kann der Gasdruck in dem unteren Speicherraum durch an der Erdoberfläche angeordnete Aggregate, wie z. B. eine Kompressionsmaschine, erhöht werden. Dies vereinfacht die Erstellung und Installation der gesamten Anlage sowie die Wartung der Anlage. Insbesondere muss keine Wartung von Maschinen in großer Tiefe unter der Erdoberfläche durchgeführt werden.
Vorteilhaft ist es daher möglich, die Einrichtung der zuvor beschriebenen Art mit Ihrer Kraft- und/oder Arbeitsmaschine Obertage anzuordnen. Auch die Druckgas-Kraft- und/oder Arbeitsmaschine kann Obertage angeordnet werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, die genannten Maschinen ganz oder teilweise unter der Erdoberfläche anzuordnen, z. B. in einer geringen Tiefe, etwa im Keller eines Gebäudes, oder auch in einer etwas größeren Tiefe.
Soweit Anlagenteile Obertage installiert sind, bedeutet dies, dass sich diese Anlagenteile an der Erdoberfläche befinden oder nahe oberhalb und/oder nahe unterhalb der Erdoberfläche insgesamt oder in Teilen angeordnet sind.
Durch die unterschiedliche Teufenlage der beiden Speicheräume kann eine Energiespeicherung in Form einer Speicherung von potentieller Energie durchgeführt werden. Wenn Energie gespeichert werden soll, wird das flüssige Medium von dem unteren Speicherraum in den oberen Speicherraum transportiert. Hierzu wird der Gasdruck im unteren Speicherraum mittels der Druckgas-Kraft- und/oder Arbeitsmaschine erhöht. Die Druckgas-Kraft- und/oder Arbeitsmaschine wird dabei mit elektrischer Energie aus einem Energieversorgungsnetz und/oder direkt von Stromanbietern betrieben. Wenn Energie entnommen werden soll, wird das flüssige Medium von dem oberen Speicherraum in den unteren Speicherraum transportiert und dabei durch die Einrichtung der zuvor beschriebenen Art geführt, die die potentielle Energie des flüssigen Mediums in elektrische Energie wandelt, z. B. durch eine Turbine mit angeschlossenem Generator, und an ein Energieversorgungsnetz und/oder direkt an Stromabnehmer abgibt.
Das Energieversorgungsnetz kann ein öffentliches und/oder nicht-öffentliches Energieversorgungsnetz sein.
Soweit von einem oberen und einem unteren Speicherraum die Rede ist, bzw. von einem ersten und einem zweiten Speicherraum, umfasst dies auch die Möglichkeit weiterer Speicherräume, wie einem dritten, vierten und sonstigen Speicherräumen. Die weiteren Speicherräume können zu dem oberen und dem unteren Speicherraum in gleicher Teufenlage oder in unterschiedlicher Teufenlage angeordnet sein.
Die Druckgas-Kraft- und/oder Arbeitsmaschine kann insbesondere zum wahlfreien Erzeugen eines Gasdrucks des Druckgases jeweils in dem oberen und dem unteren Speicherraum in unterschiedlicher Größe ausgebildet sein, so dass in dem jeweiligen Speicherraum ein beliebiger Gasdruck wahlfrei eingestellt werden kann. Dies hat den Vorteil, dass neben der Energiespeicherung über das flüssige Medium die gesamte Anlage auch zusätzlich als Druckgasspeicher verwendet werden kann, z. B. für eine kurzfristige oder mittelfristige Energiespeicherung.
Das Pumpspeicherkraftwerk kann eine Steuereinrichtung aufweisen, z. B. in Form einer elektronischen Steuereinrichtung, die die Funktionen der einzelnen Komponenten des Pumpspeicherkraftwerks steuert, z. B. die Druckgas-Kraft- und/oder Arbeitsmaschine und ggf. vorhandene schaltbare Ventile. Die Steuereinrichtung kann dabei insbesondere dazu eingerichtet sein, bestimmte Funktionen auszuführen, wie sie in den Verfahrensansprüchen angegeben sind. Hierzu kann die Steuereinrichtung z. B. programmierbar ausgebildet sein und ein entsprechendes Steuerprogramm ausführen, in das die genannten Funktionen bzw. Verfahrensschritte einprogrammiert sind. Dementsprechend betrifft die Erfindung auch eine dementsprechend ausgebildete Steuereinrichtung mit einem Steuerprogramm sowie ein Steuerprogramm, das zur Ausführung der Verfahrensschritte eingerichtet ist, wenn es auf der Steuereinrichtung ausgeführt wird. Das Steuerprogramm kann auf einem Datenträger gespeichert sein.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, durch Steuerung der Druckgas-Kraft- und/oder Arbeitsmaschine den Gasdruck in dem unteren Speicherraum zu erhöhen, wenn das flüssige Speichermedium von dem unteren Speicherraum in den oberen Speicherraum transportiert werden soll. Dies ist z. B. erforderlich, wenn Energie in dem Pumpspeicherkraftwerk eingespeichert werden soll. In diesem Fall kann durch die Gasdruckerhöhung in dem unteren Speicherraum der Transport des flüssigen Speichermediums in den oberen Speicherraum unterstützt werden oder sogar vollständig ohne zusätzliche Pumpe durchgeführt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Druckgas-Kraft- und/oder Arbeitsmaschine wenigstens eine Kompressionsmaschine zur Erzeugung komprimierten Druckgases und eine Expansionsmaschine zur Abgabe von Energie an ein öffentliches und/oder nicht-öffentliches Energieversorgungsnetz und/oder direkt an Stromabnehmer durch Expansion von Druckgas aus dem oberen bzw. dem unteren Speicherraum auf. Die Kompressionsmaschine kann z. B. als elektrisch angetriebener Kompressor ausgebildet sein. Die Expansionsmaschine kann z. B. als Druckgasturbine mit damit verbundenem elektrischem Generator ausgebildet sein. Dies hat den Vorteil, dass mit der Druckgas-Kraft- und/oder Arbeitsmaschine nicht nur das komprimierte Druckgas erzeugt werden kann, sondern bei der Expansion auch wieder Energie aus dem Druckgas zurück gewonnen und an das Energieversorgungsnetz und/oder direkt an Stromabnehmer abgegeben werden kann. Die gesamte Energieeffizienz des Pumpspeicherkraftwerks wird dadurch weiter erhöht. Zudem wird die Eignung des Pumpspeicherkraftwerks für eine kurz und mittelfristige Energiespeicherung verbessert.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinrichtung dazu eingerichtet, bei der Expansion von komprimiertem Druckgas in der Expansionsmaschine durch Steuerung der Kraft- und/oder Arbeitsmaschine der Einrichtung der eingangs beschriebenen Art das flüssige Speichermedium in denjenigen Speicherraum, aus dem das Druckgas entnommen wird, von dem jeweils anderen Speicherraum zu übertragen. Hierdurch wird die expansionsbedingte Abkühlung reduziert und der Spielraum für das Fahren der Kaverne, d. h. des entsprechenden Speicherraums, (Druckabsenkung bzw. Temperaturabsenkung pro Zeiteinheit) erweitert werden. Insbesondere kann der Druck in dem Speicherraum gehalten werden und es kommt zu keiner Abkühlung beim Entspannungsvorgang in dem Speicherraum. Bei der Entspannung ist dann nur noch die Wärme dem Prozess zuzuführen, die in der Expansionsmaschine benötigt wird.
Vorteilhaft können als oberer und unterer Speicherraum bzw. als erster und zweiter Speicherraum insbesondere bereits vorhandene unterirdische Hohlräume verwendet werden, z. B. Kavernen in Salzstöcken oder andere bereits z. B. durch den Bergbau geschaffene unterirdische Hohlräume. Zum Teil können auch überirdische Speicherräume oder vorhandene Energieversorgungsnetze verwendet werden, z. B. Erdgasnetze. Die Erfindung erlaubt eine vielfältige Nutzung vorhandener über- und unterirdischer Hohlräume sowie von vorhandenen Leitungsnetzen.
Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gemäß Anspruch 17 gelöst durch eine industrielle Anlage, die zum Pumpen eines chemischen Mediums wenigstens eine Einrichtung der zuvor beschriebenen Art aufweist, wobei das Speichermedium dieser Einrichtung das chemische Medium ist. Die Erfindung kann damit vorteilhaft auch im Bereich der Prozessindustrie eingesetzt werden, z. B. in der fertigenden Industrie. Es können mit der erfindungsgemäßen Einrichtung auch chemische Medien transportiert werden, die relativ aggressive Bestandteile enthalten, zumindest für übliche Pumpen oder Turbinen.
Die erfindungsgemäße Einrichtung kann damit z. B. in der chemischen Industrie, der Petrochemie, der Gasverarbeitung, der Pharmazie, der Lebensmittel-, Zucker-, Zellstoff-, Papier-, Gas-, Stahl- und Zementherstellung eingesetzt werden.
Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gemäß Anspruch 18 gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Anlage mit wenigstens einer Einrichtung der zuvor beschriebenen Art, wobei beim Transport des Speichermediums von dem ersten Speicherraum in den zweiten Speicherraum die erste und die zweite Arbeitskammer abwechselnd mit dem Speichermedium und dem Arbeitsmedium befüllt werden, wie folgt:

a) Speichermedium wird in die erste Arbeitskammer eingefüllt und gleichzeitig Arbeitsmedium daraus entnommen,
b) gleichzeitig wird Arbeitsmedium in die zweite Arbeitskammer eingefüllt und gleichzeitig Speichermedium daraus entnommen,
c) wenn wenigstens ein vorbestimmtes Umschaltkriterium erfüllt ist, wird fortan Speichermedium in die zweite Arbeitskammer eingefüllt und gleichzeitig Arbeitsmedium daraus entnommen,
d) gleichzeitig wird Arbeitsmedium in die erste Arbeitskammer eingefüllt und gleichzeitig Speichermedium daraus entnommen,
e) wenn wenigstens ein vorbestimmtes Umschaltkriterium erfüllt ist, wird der Verfahrensablauf wieder von vorne mit dem Merkmal a) begonnen,
f) wenn wenigstens ein vorbestimmtes Abbruchkriterium erfüllt ist, wird der Verfahrensablauf angehalten oder beendet.

Das Verfahren kann z. B. bei einem Pumpspeicherkraftwerk oder einer industriellen Anlage der zuvor beschriebenen Art eingesetzt werden. Als vorbestimmtes Umschaltkriterium kann z. B. ein Zeitkriterium oder ein Mengenkriterium des Füllstands einer der Arbeitskammern oder beider Arbeitskammern verwendet werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen
1 – ein Pumpspeicherkraftwerk in schematischer Darstellung und
2 – eine erfindungsgemäße Einrichtung bei deren Anwendung in einem Pumpspeicherkraftwerk gemäß 1.
In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente verwendet.
Die 1 zeigt ein Pumpspeicherkraftwerk 1, das über elektrische Leitungen 20 mit einem öffentlichen oder nicht-öffentlichen elektrischen Energieversorgungsnetz 2 verbunden ist, welches auch direkte Stromanbieter oder Stromabnehmer beinhalten kann. Das Pumpspeicherkraftwerk 1 ist dazu eingerichtet, in dem Energieversorgungsnetz 2 überschüssige Energie kurz-, mittel oder langfristig zu speichern und bei einem zusätzlichen Energiebedarf in dem Energieversorgungsnetz 2 wiederum elektrische Energie an das Energieversorgungsnetz 2 abzugeben.
Hierzu weist das Pumpspeicherkraftwerk 1 einen Untertage, d. h. in einer wesentlichen Tiefe unterhalb der Erdoberfläche 3, angeordneten unteren Speicherraum 11 auf, sowie einen oberen Speicherraum 12, der ebenfalls Untertage oder Übertage oder im Bereich der Erdoberfläche 3 angeordnet sein kann. Das Pumpspeicherkraftwerk 1 ist dazu eingerichtet, für die Energiespeicherung die potentielle Energie von in einem Flüssigkeitskreis befindlichem flüssigem Medium 5, 7 zu nutzen. Der untere Speicherraum 11 ist daher in einer größeren Teufe, d. h. einer größeren Tiefe unterhalb der Erdoberfläche 3, angeordnet als der obere Speicherraum 12. Wie in der 1 dargestellt, befindet sich im unteren Speicherraum 11 ein flüssiges Medium 5, im oberen Speicherraum 12 befindet sich ein flüssiges Medium 7, wobei die flüssigen Medien 5, 7 im Normalfall dieselben Medien sind, die zwischen den Speicherräumen 11 , 12 hin und hertransportiert werden, wenn Energie gespeichert oder entnommen werden soll. Zwischen den Flüssigkeitspegeln der Flüssigkeiten 5, 7 besteht eine Höhendifferenz 8, aus der sich zusammen mit der Masse des im oberen Speicherraum 12 befindlichen flüssigen Mediums 7 die aktuell gespeicherte potenzielle Energie ergibt.
In dem unteren Speicherraum 11 befindet sich oberhalb des flüssigen Mediums 5 ein Druckgas 4. Im oberen Speicherraum 12 befindet sich oberhalb des flüssigen Mediums 7 ein Druckgas 6, bei dem es sich im Regelfall um dasselbe Gas handelt wie das Druckgas 4. In den unteren Speicherraum 11 ist eine Flüssigkeitsleitung 15 geführt, die mit oberirdisch angeordneten, später noch erläuterten Aggregaten verbunden ist. Ferner ist in den oberen Speicherraum 11 eine Druckgasleitung 17 geführt, die ebenfalls an der Erdoberfläche mit Aggregaten verbunden ist. Wie erkennbar ist, ist die Flüssigkeitsleitung 5 ungefähr bis zum unteren Bereich des unteren Speicherraums 11 in diesen eingeführt. Die Druckgasleitung 17 endet im oberen Bereich des unteren Speicherraums 11. In gleicher weise sind in den oberen Speicherraum 12 eine Flüssigkeitsleitung 16 und eine Druckgasleitung 18 geführt, die ebenfalls mit überirdisch angeordneten Aggregaten verbunden sind. Wiederum ist die Flüssigkeitsleitung 16 etwa bis zum unteren Bereich des unteren Speicherraums 12 geführt, die Druckgasleitung 18 endet im oberen Bereich des oberen Speicherraums 12.
Das Pumpspeicherkraftwerk 1 weist eine Reihe von in 1 beispielhaft überirdisch, d. h. oberhalb der Erdoberfläche 3, angeordneten Aggregaten auf, die in einem Kraftwerksblock 10 zusammengefasst sein können. Der Kraftwerksblock 10 kann z. B. als Kraftwerksgebäude ausgebildet sein. Selbstverständlich können auch einzelne oder alle Aggregate unterhalb der Erdoberfläche 3 oberflächennah oder auch in einer größeren Tiefe angeordnet sein. Aus Gründen der praktischen Realisierbarkeit des Pumpspeicherkraftwerks hat es jedoch Vorteile, die Aggregate überirdisch anzuordnen.
In dem Kraftwerksblock 10 befindet sich eine Steuereinrichtung 13, die z. B. als Steuerrechner oder Leitrechner des Pumpspeicherkraftwerks 1 ausgebildet sein kann, z. B. in Form eines Computers. Die Steuereinrichtung 13 ist über symbolisch dargestellte elektrische Leitungen 14 mit den einzelnen Aggregaten verbunden, um diese zu steuern bzw. um Messdaten von diesen aufzunehmen. Die Steuereinrichtung 13 ist ferner über die Leitungen 14 mit einer Energieanforderungsschnittstelle verbunden, über die von außen, z. B. von Kraftwerksbetreibern oder Energieversorgern, Energiespeicherungsanforderungen und Energieabgabeanforderungen empfangen werden können. Die Steuereinrichtung 13 verarbeitet diese Anforderungen und steuert die Aggregate je nach Anforderung derart, dass entweder elektrische Energie von dem Energieversorgungsnetz 2 in dem Pumpspeicherkraftwerk 1 eingespeichert wird oder daraus wieder an das Energieversorgungsnetz 2 abgegeben wird.
Das Pumpspeicherkraftwerk 1 weist insbesondere folgende Aggregate auf. Die Flüssigkeitsleitung 15 ist über eine steuerbare Ventilanordnung 28 mit einer hydraulischen Kraft- und/oder Arbeitsmaschine 26, 27 verbunden. Die Flüssigkeitsleitung 16 ist über eine steuerbare Ventilanordnung 26 mit der hydraulischen Kraft- und/oder Arbeitsmaschine 26, 27 verbunden. Die hydraulische Kraft- und/oder Arbeitsmaschine 26, 27 kann z. B. eine Flüssigkeitsturbine (z. B. Wasserturbine) 26 mit Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie, die an das Energieversorgungsnetz 2 abgegeben wird, aufweisen, sowie eine elektrisch angetriebene Pumpe 27, die einen Transport des flüssigen Mediums von dem unteren Speicherraum 11 in den oberen Speicherraum 12 mittels einer Pumpfunktion unterstützen kann. Je nach Transportrichtung des flüssigen Mediums, wie durch die Pfeile in der Flüssigkeitsturbine 26 und der Pumpe 27 angedeutet, werden die steuerbaren Ventile 28, 29 einschließlich gegebenenfalls notwendiger Nebenanlagen 19 von der Steuereinrichtung 13 entsprechend geschaltet, um entweder das flüssige Medium von dem oberen Speicherraum 12 in den unteren Speicherraum 11 zu transportieren, wenn Energie an das Energieversorgungsnetz 2 abgegeben werden soll, oder flüssiges Medium von dem unteren Speicherraum in den oberen Speicherraum 12 zu transportieren, wenn Energie von dem Energieversorgungsnetz 2 in dem Pumpspeicherkraftwerk 1 eingespeichert werden soll.
Die Komponenten 11, 12, 15, 16, 26, 27, 28, 29 bilden damit einen Flüssigkeitskreis.
Die Druckgasleitung 17 ist über eine steuerbare Ventilanordnung 24 mit einer Druckgas-Kraft- und/oder Arbeitsmaschine 21, 22 verbunden. Die Druckgasleitung 18 ist über eine steuerbare Ventilanordnung 25 mit der Druckgas-Kraft- und/oder Arbeitsmaschine 21, 22 verbunden. Die Druckgas-Kraft- und/oder Arbeitsmaschine 21, 22 kann z. B. eine Expansionsmaschine 21, z. B. in Form einer Gasturbine mit Generator, und eine Kompressionsmaschine 22, z. B. in Form eines elektrisch angetriebenen Kompressors, aufweisen. Die Kompressionsmaschine 22 ist mit einem zweiseitigen Pfeil gekennzeichnet, denn sie ist je nach Steuerung der steuerbaren Ventilanordnungen 24, 25 durch die Steuereinrichtung 13, in der Lage, Druckgas von dem unteren Speicherraum 11 in den oberen Speicherraum 12 zu fördern und dabei den Gasdruck in dem unteren Speicherraum 11 zu erhöhen, und entsprechend umgekehrt Druckgas von dem unteren Speicherraum 11 in den oberen Speicherraum 12 zu fördern und dabei den Gasdruck in dem oberen Speicherraum 12 zu erhöhen. Hierbei kann der Gasdruck in dem unteren Speicherraum 11 und im oberen Speicherraum 12 jeweils separat festgelegt werden, wobei die Kompressionsmaschine 22 immer dann aktiviert wird, wenn Druckgas von einem Speicherraum mit einem niedrigeren Gasdruck in einen Speicherraum mit einem höheren Gasdruck transportiert werden soll. Die Kompressionsmaschine 22 kann z. B. mit einem Anschluss 23 verbunden sein, über den ggf. zusätzliches Druckgas aus der Atmosphäre oder einem mit dem Anschluss 23 verbundenen Gasnetz in den Druckgaskreis eingespeichert werden kann.
Sofern Druckgas von einem Speicherraum mit höherem Gasdruck in einen Speicherraum mit niedrigerem Gasdruck transportiert werden soll, wird die Expansionsmaschine 21 durch Steuerung der steuerbaren Ventilanordnungen 24, 25 aktiviert. Durch das durch die Expansionsmaschine 21 fließende, expandierende Druckgas kann von der Expansionsmaschine 21 elektrische Energie erzeugt werden und an das Energieversorgungsnetz 2 abgegeben werden. Die Expansionsmaschine 21 kann ebenfalls mit dem Anschluss 23 verbunden oder verbindbar sein, um im Druckgassystem eventuell vorhandene zu große Gasmengen abzulassen.
Die Komponenten 11, 12, 17, 18, 21, 22, 23, 24, 25 bilden damit einen Druckgaskreis.
Der Druckgaskreis des Pumpspeicherkraftwerks 1 kann einerseits dazu verwendet werden, das Hochpumpen des flüssigen Mediums 5 von dem unteren Speicherraum 11 in den oberen Speicherraum 12 in Folge eines Gasüberdrucks zu bewirken oder zumindest die Funktion der Pumpe 27 zu unterstützen (Hydro-Betriebsmodus des Kraftwerks). Zusätzlich kann der Druckgaskreis dazu verwendet werden, Energie von dem Energieversorgungsnetz 2 in Form von erhöhtem Gasdruck in dem Pumpspeicherkraftwerk 1 zwischenzuspeichern und bei Bedarf durch Expansion in der Expansionsmaschine 21 wieder an das Energieversorgungsnetz 2 abzugeben. Auf diese Weise kann ein kombiniertes Pumpspeicher-Druckgasspeicher-Kraftwerk realisiert werden (Turbo-Betriebsmodus des Kraftwerks).
Neben dem Flüssigkeitskreis und dem Druckgaskreis ist ein dritter Kreis in dem Pumpspeicherkraftwerk 1 vorgesehen, und zwar ein Wärmekreislauf 33. Der Wärmekreislauf 33 verbindet die Flüssigkeitsleitungen 15, 16 thermisch mit den Druckgasleitungen 17, 18. Wie in der 1 erkennbar ist, kann der Wärmekreislauf 33 z. B. durch einen Wärmetauscher 32, der von dem flüssigen Medium durchströmt wird, und einen Wärmetauscher 33, der von dem Druckgas durchströmt wird, gebildet werden, wobei die Wärmetauscher 32, 33 miteinander verbunden sind. Durch die Wärmetauscher 32, 33 kann ein Wärmetauschermedium, in der Regel ein flüssiges Medium, durch eine von der Steuereinrichtung 13 steuerbare Wärmekreispumpe 31 gepumpt werden, um den Wärmeaustausch zwischen dem Flüssigkeitskreis und dem Druckgaskreis durchzuführen. Die Steuereinrichtung 13 kann die Wärmekreispumpe 31 bei Bedarf ein und ausschalten.
Der Wärmekreislauf 30 kann auch auf andere Art realisiert werden als in 1 dargestellt, so z. B. dadurch, dass die jeweilige Flüssigkeitsleitung 15, 16, innerhalb der jeweiligen Druckgasleitung 17, 18 angeordnet ist, so dass das Druckgas in dem verbleibenden Ringraum transportiert wird.
Die 2 zeigt eine Einrichtung 40 mit einer Kraft- und/oder Arbeitsmaschine 41 und weiteren Komponenten. Die Einrichtung 40 kann in dem Pumpspeicherkraftwerk gemäß 1 anstelle der in 1 dargestellten hydraulischen Kraft- und/oder Arbeitsmaschine 26, 27 sowie der steuerbaren Ventilanordnungen 28, 29 eingesetzt werden. Dementsprechend ist die Einrichtung 40 mit den Flüssigkeitsleitungen 15, 16, die zu dem ersten bzw. dem zweiten Speicherraum 11, 12 führen, verbunden. Diese Verbindung ist in der 2 nur schematisch wiedergegeben, die gegebenenfalls ebenfalls vorhandenen Druckgasleitungen 17, 18 sind nicht mit dargestellt.
Die Einrichtung 40 kann in dem Pumpspeicherkraftwerk gemäß 1 alternativ oder zusätzlich auch anstelle der in 1 dargestellten Druckgas-Kraft- und/oder Arbeitsmaschine 21, 22 sowie der steuerbaren Ventilanordnungen 24, 25 eingesetzt werden, analog zu dem Ersatz der nachfolgend im Detail beschriebenen Anwendung der Einrichtung 40 im hydraulischen Speichermedium-Kreis.
Die Einrichtung 40 gemäß 2 weist ebenfalls eine Steuerungseinrichtung 13 auf, die über elektrische Leitungen 14 mit elektrisch steuerbaren Komponenten, nämlich den Ventilen 50, 51, 52, 53, 55, 56, 58, 59 verbunden ist. Die Steuereinrichtung 13 der Einrichtung 40 kann als separate Steuereinrichtung ausgebildet sein oder als Teil der anhand der 1 bereits erläuterten Steuereinrichtung 13.
Die Einrichtung 40 weist außerdem eine erste Arbeitskammer 42 und eine zweite Arbeitskammer 43 auf. Die Arbeitskammern 42, 43 weisen jeweils als Betriebskreis-Trennungsmittel einen verschiebbaren Kolben 44 bzw. 47 auf. Der jeweilige Kolben 44, 47 teilt eine jeweilige Arbeitskammer 42, 43 in eine Speichermedium-Teilkammer 46 bzw. 49 und eine Arbeitsmedium-Teilkammer 45 bzw. 48. In Folge der Verschieblichkeit des Kolbens 44, 47 ist das Volumenverhältnis zwischen der Speichermedium-Teilkammer und der Arbeitsmedium-Teilkammer einer Arbeitskammer veränderlich. In der 2 ist rechts von dem jeweiligen Betriebskreis-Trennungsmittel 44, 47 der Speichermedium-Betriebskreis gebildet und links davon der Arbeitsmedium-Betriebskreis.
Die Kraft- und/oder Arbeitsmaschine 41, z. B. eine Pumpturbine, ist mit einem ihrer Anschlüsse z. B. über ein elektrisch steuerbares Ventil 50 wahlweise mit der Arbeitsmedium-Teilkammer 45, 48 der ersten oder der zweiten Arbeitskammer 42, 43 verbindbar. In entsprechender Weise ist ein zweiter Anschluss der Kraft- und/oder Arbeitsmaschine über ein elektrisch steuerbares Ventil 51 ebenfalls wahlweise mit der Arbeitsmedium-Teilkammer 45, 48 der ersten bzw. zweiten Arbeitskammer 42, 43 verbindbar. Die Ventile 50, 51 sind Teile einer ersten Ventileinrichtung. Auf der Seite des Speichermedium-Betriebskreises befindet sich eine vergleichbare Anordnung zweier elektrisch steuerbarer Ventile 52, 53, die Teile einer zweiten Ventileinrichtung sind. Über das Ventil 52 ist der zweite Speicherraum 12 wahlweise entweder mit der Speichermedium-Teilkammer 46 oder der Speichermedium-Teilkammer 49 verbindbar. Der erste Speicherraum 11 ist über das Ventil 53 wahlweise entweder mit der Speichermedium-Teilkammer 46 oder der Speichermedium-Teilkammer 49 verbindbar. Die Ventile 50, 51, 52, 53 werden von der Steuereinrichtung 13 derart gesteuert, dass immer nur ein Speicherraum mit einer bestimmten Speichermedium-Teilkammer verbunden ist und der andere Speicherraum dann mit der anderen Speichermedium-Teilkammer. Entsprechend werden die Ventile 50, 51 derart gesteuert, dass bei Verbindung eines Anschlusses der Kraft- und/oder Arbeitsmaschine mit der Arbeitsmedium-Teilkammer 45 der andere Anschluss mit der anderen Arbeitsmedium-Teilkammer 48 verbunden ist, und umgekehrt.
Es sei nun angenommen, dass bei dem Pumpspeicherkraftwerk gemäß 1 Energie eingespeichert werden soll, und zwar in Form von potenzieller Energie. In diesem Fall muss Speichermedium, d. h. flüssiges Medium 5 aus dem ersten Speicherraum 11 in den zweiten Speicherraum 12 hoch transportiert werden. Hierzu verbindet die Steuereinrichtung 13 durch Steuerung der Ventile 52, 53 z. B. zunächst den ersten Speicherraum 11 mit der Speichermedium-Teilkammer 46. Der zweite Speicherraum 12 wird mit der Speichermedium-Teilkammer 49 verbunden. Ein Eingangsanschluss bzw. Sauganschluss der Kraft- und/oder Arbeitsmaschine 41 wird über das Ventil 51 mit der Arbeitsmedium-Teilkammer 45 verbunden. Ein Ausgangsanschluss der Kraft- und/oder Arbeitsmaschine 41 wird über das Ventil 50 mit der Arbeitsmedium-Teilkammer 48 verbunden. Es werden somit die in der 2 in durchgezogenen Linien dargestellten Verbindungen hergestellt. Sodann wird die Kraft- und/oder Arbeitsmaschine 41 durch die in dem Pumpspeicherkraftwerk einzuspeichernde Energie angetrieben, z. B. über einen Elektromotor. Hierdurch wird Arbeitsmedium aus der Arbeitsmedium-Teilkammer 45 gesaugt und in die Arbeitsmedium-Teilkammer 48 gepumpt. Der Kolben 44 verschiebt sich dadurch nach links, wodurch Speichermedium aus dem ersten Speicherraum 11 in die Speichermedium-Teilkammer 46 gepumpt wird. Dieser Pumpvorgang kann gegebenenfalls durch Erhöhung des Gasdrucks im ersten Speicherraum 11 über die Druckgasleitung 18 unterstützt werden. Bei der zweiten Arbeitskammer 43 verschiebt sich der Kolben 47 während dieses Vorgangs nach rechts. Speichermedium aus der Speichermedium-Teilkammer 49 wird in den zweiten Speicherraum 12 transportiert. Dieser Vorgang wird durchgeführt, bis die Arbeitsmedium-Teilkammer 45 ganz oder fast vollständig entleert ist oder bis die Speichermedium-Teilkammer 49 ganz oder fast vollständig entleert ist, je nachdem welches Ereignis früher eintritt. Dann wird die Bewegungsrichtung der Kolben 44, 47 umgekehrt, indem sämtliche Ventile 50, 51, 52, 53 in ihre jeweils andere Stellung durch die Steuereinrichtung 13 umgestellt werden. Es sind dann die in der 2 gestrichelt dargestellten Verbindungen hergestellt. Durch die Kraft- und/oder Arbeitsmaschine 41 wird dann Arbeitsmedium aus der Arbeitsmedium-Teilkammer 48 abgesaugt und in die Arbeitsmedium-Teilkammer 45 hinein gepumpt. Dementsprechend wird das Speichermedium weiterhin aus dem ersten Speicherraum 11 hoch gepumpt, nur dass es nun in die Speichermedium-Teilkammer 49 transportiert wird. Entsprechend wird Speichermedium aus der Speichermedium-Teilkammer 46 in den zweiten Speicherraum 12 transportiert. Durch jeweiliges rechtzeitiges Umstellen der Ventile 50, 51, 52, 53 kann ein kontinuierlicher Pumpprozess realisiert werden.
Soll durch das Pumpspeicherkraftwerk 1 wieder Energie abgegeben werden, indem in dem zweiten Speicherraum gespeicherte potenzielle Energie genutzt wird, muss der zuvor beschriebene Umpumpvorgang umgekehrt durchgeführt werden, d. h. es muss Speichermedium vom zweiten Speicherraum 12 in den ersten Speicherraum 11 transportiert werden. Dieser Vorgang wird analog zu der zuvor beschriebenen Vorgehensweise durch entsprechendes regelmäßiges Umschalten der Ventile 50, 51, 52, 53 durchgeführt. Hierbei fungiert die Kraft- und/oder Arbeitsmaschine als Energieerzeuger, d. h. die aufgrund der freigesetzten potenziellen Energie des Speichermediums abgegebene Energie wird von der Kraft- und/oder Arbeitsmaschine in eine andere Energieform gewandelt, in der Regel in elektrische Energie, und zur Abgabe an das Energieversorgungsnetz 2 bereit gestellt.
Die Einrichtung 40 weist außerdem Druckausgleichskammern 54, 57 auf, die über von der Steuerungseinrichtung 13 betätigbare Ventileinrichtungen 55, 56, 68, 69 wahlweise mit der Arbeitsmedium-Teilkammer 45, 48 der jeweiligen Arbeitskammer 42, 43 verbunden werden können. Hierdurch können im System auftretende Druckspitzen gedämpft werden. Ferner ist es möglich, ein bestimmtes gewünschtes Druckniveau am eingangsseitigen Anschluss und/oder am ausgangsseitigen Anschluss der Kraft- und/oder Arbeitsmaschine einzustellen. Durch entsprechende Betätigung der betätigbaren Ventileinrichtungen 55, 56, 68, 69 kann eine Druckregelung durchgeführt werden.
Wie man erkennt, beschränken sich die Anwendungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Einrichtung 40 nicht nur auf den Bereich der Energieversorgung, sondern es sind auch vielfältige Einsatzmöglichkeiten in der Prozessindustrie zum Transport der dort verwendeten Fluide vorteilhaft möglich.

Claims

Einrichtung (40) mit wenigstens einer Kraft- und/oder Arbeitsmaschine (41), wobei die Einrichtung (40) dazu eingerichtet ist, ein fluidisches Speichermedium (4, 5, 6, 7) von einem ersten Speicherraum (11) in einen davon getrennten zweiten Speicherraum (12) zu transportieren oder aufgrund eines solchen Transports des Speichermediums (4, 5, 6, 7) Energie abzugeben, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (40) wenigstens einen Speichermedium-Betriebskreis und wenigstens einen vom Speichermedium-Betriebskreis getrennten Arbeitsmedium-Betriebskreis aufweist, in dem ein fluidisches Arbeitsmedium vorhanden ist, das in direktem Kontakt mit der Kraft- und/oder Arbeitsmaschine (41) ist, wobei die Einrichtung (40) wenigstens ein Betriebskreis-Trennungsmittel (44, 47) aufweist, das eine Vermischung zwischen dem Speichermedium (4, 5, 6, 7) und dem Arbeitsmedium verhindert und die Einrichtung (40) wenigstens zwei voneinander getrennte Arbeitskammern (42, 43) aufweist, in denen während des Betriebs der Einrichtung (40) variierende Mengen sowohl des Speichermediums (4, 5, 6, 7) als auch des Arbeitsmediums gespeichert sind.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Arbeitskammern (42, 43) jeweils wenigstens ein Betriebskreis-Trennungsmittel (44, 47) zur Trennung des Arbeitsmediums von dem Speichermedium (4, 5, 6, 7) aufweisen.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebskreis-Trennungsmittel (44, 47) als dehnbare Membran und/oder als verschieblicher Kolben ausgebildet ist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft- und/oder Arbeitsmaschine (41) als Pumpe, als Turbine oder als Pumpturbine ausgebildet ist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine, mehrere oder alle Arbeitskammern (42, 43) als Innenraum eines rohrförmigen Körpers, eines kesselförmigen Körpers und/oder eines über- oder unterirdischen Hohlraums ausgebildet sind.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (40) wenigstens eine erste Ventileinrichtung (50, 51) zur Verbindung eines eingangsseitigen Anschlusses der Kraft- und/oder Arbeitsmaschine (41) wahlweise mit der ersten oder der zweiten Arbeitskammer (42, 43) und zur Verbindung eines Ausgangsanschlusses der Kraft- und/oder Arbeitsmaschine (41) wahlweise mit der ersten oder zweiten Arbeitskammer (42, 43) aufweist.
Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (40) eine Steuerungseinrichtung (13) aufweist, die zum Betätigen der ersten Ventileinrichtung (50, 51) derart eingerichtet ist, dass bei Verbindung des Eingangsanschlusses der Kraft- und/oder Arbeitsmaschine (41) mit einer der Arbeitskammern (42, 43) der Ausgangsanschluss der Kraft- und/oder Arbeitsmaschine (41) mit einer anderen Arbeitskammer (42, 43) verbunden ist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (40) wenigstens eine zweite Ventileinrichtung (52, 53) zur Verbindung des ersten Speicherraums (11) wahlweise mit der ersten oder der zweiten Arbeitskammer (42, 43) und zur Verbindung des zweiten Speicherraums (12) wahlweise mit der ersten oder zweiten Arbeitskammer (42, 43) aufweist.
Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (40) eine Steuerungseinrichtung (13) aufweist, die zum Betätigen der zweiten Ventileinrichtung (50, 51) derart eingerichtet ist, dass bei Verbindung des ersten Speicherraums (11) mit einer der Arbeitskammern (42, 43) der zweite Speicherraum (12) mit einer anderen Arbeitskammer (42, 43) verbunden ist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium im Wesentlichen frei von die Kraft- und/oder Arbeitsmaschine (41) schädigenden Inhaltsstoffen ist.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Arbeitskammer (42, 43) mit wenigstens einer Druckausgleichskammer (54, 57) verbunden oder über eine betätigbare Ventileinrichtung (55, 56, 68, 69) verbindbar ist.
Pumpspeicherkraftwerk (1) zur Energiespeicherung und/oder Abgabe gespeicherter Energie, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpspeicherkraftwerk (1) für die Energiespeicherung und/oder die Abgabe gespeicherter Energie wenigstens eine Einrichtung (40) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
Pumpspeicherkraftwerk nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpspeicherkraftwerk (1) als ersten Speicherraum (11) wenigstens einen Untertage angeordneten unteren Speicherraum und als zweiten Speicherraum (12) wenigstens einen vom unteren Speicherraum getrennten Über- oder Untertage angeordneten oberen Speicherraum aufweist, wobei der untere Speicherraum in einer größeren Teufe angeordnet ist als der obere Speicherraum.
Pumpspeicherkraftwerk nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpspeicherkraftwerk (1) wenigstens eine in den oberen Speicherraum (12) geführte erste Flüssigkeitsleitung (16) und wenigstens eine in den unteren Speicherraum (11) geführte zweite Flüssigkeitsleitung (15) aufweist, wobei die erste und die zweite Flüssigkeitsleitung (15, 16) mit wenigstens einer Einrichtung (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 verbunden oder über schaltbare Ventile (52, 53) verbindbar sind, und mit wenigstens einer in den oberen Speicherraum (12) geführten ersten Druckgasleitung (18) und wenigstens einer in den unteren Speicherraum (11) geführten zweiten Druckgasleitung (18), wobei die erste und die zweite Druckgasleitung (17, 18) mit einer Druckgas-Kraft- und/oder Arbeitsmaschine (21, 22) des Pumpspeicherkraftwerks (1) verbunden oder über schaltbare Ventile (24, 25) verbindbar sind.
Pumpspeicherkraftwerk nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpspeicherkraftwerk (1) eine Steuerungseinrichtung (13) aufweist, die zur Steuerung des Pumpspeicherkraftwerks (1) derart eingerichtet ist, dass das Speichermedium (4, 5, 6, 7) von dem oberen Speicherraum (12) in den unteren Speicherraum (11) und umgekehrt durch die erste und die zweite Flüssigkeitsleitung (15, 16) und die Einrichtung (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 transportiert wird, und die Druckgas-Kraft- und/oder Arbeitsmaschine (21, 22) zum wahlfreien Erzeugen eines Gasdrucks eines Druckgases wenigstens in dem unteren Speicherraum (11) eingerichtet ist, der von einem Gasdruck in dem oberen Speicherraum (12) abweichen kann.
Industrielle Anlage, dadurch gekennzeichnet, dass die industrielle Anlage zum Pumpen eines chemischen Mediums wenigstens eine Einrichtung (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 aufweist, wobei das Speichermedium (4, 5, 6, 7) dieser Einrichtung das chemische Medium ist.
Verfahren zum Betrieb einer Anlage mit wenigstens einer Einrichtung (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass beim Transport des Speichermediums von dem ersten Speicherraum (11) in den zweiten Speicherraum (12) die erste und die zweite Arbeitskammer (42, 43) abwechselnd mit dem Speichermedium (4, 5, 6, 7) und dem Arbeitsmedium befüllt werden, wie folgt: a) Speichermedium (4, 5, 6, 7) wird in die erste Arbeitskammer (42) eingefüllt und gleichzeitig Arbeitsmedium daraus entnommen, b) gleichzeitig wird Arbeitsmedium in die zweite Arbeitskammer (43) eingefüllt und gleichzeitig Speichermedium (4, 5, 6, 7) daraus entnommen, c) wenn wenigstens ein vorbestimmtes Umschaltkriterium erfüllt ist, wird fortan Speichermedium (4, 5, 6, 7) in die zweite Arbeitskammer (43) eingefüllt und gleichzeitig Arbeitsmedium daraus entnommen, d) gleichzeitig wird Arbeitsmedium in die erste Arbeitskammer (42) eingefüllt und gleichzeitig Speichermedium (4, 5, 6, 7) daraus entnommen, e) wenn wenigstens ein vorbestimmtes Umschaltkriterium erfüllt ist, wird der Verfahrensablauf wieder von vorne mit dem Merkmal a) begonnen, f) wenn wenigstens ein vorbestimmtes Abbruchkriterium erfüllt ist, wird der Verfahrensablauf angehalten oder beendet.