DE102014016491A1

DE102014016491A1 - Energy storage and recovery system

Info

Publication number: DE102014016491A1
Application number: DE102014016491.8A
Authority: DE
Inventors: Joseph Maier
Original assignee: Ict-Systems
Current assignee: RENESTOR-M GMBH, DE
Priority date: 2014-11-07
Filing date: 2014-11-07
Publication date: 2016-05-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zur Energiespeicherung und -rückgewinnung umfassend mindestens einen Druckluftbehälter (1), mindestens einen mit dem Druckluftbehälter (1) in Verbindung stehenden Druckwasserbehälter (2), mindestens eine mit dem Druckwasserbehälter (2) in Verbindung stehende Turbine (3, 3a), an welche ein Generator (4, 4a) zur Erzeugung elektrischer Energie angeschlossen ist, eine Hochdruckpumpe (11) zur Förderung von Wasser aus einem Wasserspeicher (9) in den Druckwasserbehälter (2), wobei der Druckluftbehälter (1) permanent im Druckgleichgewicht mit dem Druckwasserbehälter (2) steht, derart, dass während der Energiespeicherung und -rückgewinnung der Druck im Druckluftbehälter (1) gleich dem Druck im Druckwasserbehälter (2) ist.The invention relates to a system for energy storage and recovery comprising at least one compressed air tank (1), at least one pressurized water tank (2) in communication with the compressed air tank (1), at least one turbine (3, 3a) in communication with the pressurized water tank (2) ), to which a generator (4, 4a) is connected for generating electrical energy, a high-pressure pump (11) for conveying water from a water reservoir (9) in the pressure water tank (2), wherein the compressed air tank (1) permanently in pressure equilibrium with the pressure water tank (2) is such that during the energy storage and recovery of the pressure in the compressed air tank (1) is equal to the pressure in the pressurized water tank (2).

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Energiespeicherung und -rückgewinnung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1.The invention relates to a system for energy storage and recovery according to the features of patent claim 1.

Neue Entwicklungen im Bereich der alternativen Energien, insbesondere die der diskontinuierlichen Prozesse, wie Solarenergie oder Windenergie, haben zu der Situation geführt, dass einerseits Betriebszeiten gegeben sind, in denen die erzeugte Energie den vorliegenden Bedarf zum Teil erheblich übersteigt, andererseits solche, in denen es an der erforderlichen und abgefragten Energie völlig oder mindestens teilweise fehlt. Diese Schwankungen haben den Bedarf an geeigneten Speichermöglichkeiten für Überschussenergie akut werden lassen.New developments in the field of alternative energies, in particular those of discontinuous processes, such as solar or wind energy, have led to the situation that on the one hand operating times are given, in which the energy generated in some cases significantly exceeds the present demand, on the other hand, those in which it at the required and requested energy completely or at least partially missing. These fluctuations have made the need for suitable storage facilities for excess energy acute.

Die Speicherung elektrischer Energie in elektrischer Form ist bisher nur in Akkumulatoren möglich, in denen ein Übergang von elektrischen zu chemischen Prozessen herbeigeführt wird. Es ist aber noch nicht gelungen, Geräte zu schaffen, in denen das Speichervolumen hoch und das Bauvolumen gering ist. Für die Speicherung großer Energiemengen oder dezentrale zahlreiche Anordnungen von Speichereinheiten bilden derartige Geräte daher noch keine geeignete Lösung.The storage of electrical energy in electrical form has hitherto only been possible in accumulators in which a transition from electrical to chemical processes is brought about. However, it has not yet been possible to create devices in which the storage volume is high and the construction volume is low. For the storage of large amounts of energy or decentralized numerous arrangements of storage units such devices therefore do not form a suitable solution.

Andere Speichermöglichkeiten von Energie bieten z. B. Pumpspeicherkraftwerke, Talsperren, hydropneumatische Speicherkraftwerke, die in stillgelegten Kavernen oder Bergwerken untergebracht sind. Die Speicherung erfolgt zum Teil mit Druckluft oder Erdgas oder in Kombination mit Wasser.Other storage possibilities of energy offer z. As pumped storage power plants, dams, hydro-pneumatic storage power plants, which are housed in disused caverns or mines. The storage takes place partly with compressed air or natural gas or in combination with water.

Die zur Zeit verfügbaren Energiespeicher reichen zur Speicherung der durch erneuerbare Energieerzeuger verursachten Schwankungen bei weitem nicht aus. Gleichzeitig reichen die klassischen Energiespeicher wie Pumpspeicherkraftwerk oder Talsperren nicht aus und sind aus umwelttechnischen Gründen nur schwer realisierbar.The currently available energy stores are far from sufficient to store the fluctuations caused by renewable energy producers. At the same time the classic energy storage such as pumped storage power plant or dams are not enough and are difficult to realize for environmental reasons.

Aus DE 10 2013 018 741 A1 ist ein System zur Energiespeicherung und -rückgewinnung bekannt, bei welchem überschüssige Energie in einem Stromnetz mittels Druckluft in einem Druckluftbehälter gespeichert wird. Die Energierückgewinnung erfolgt dadurch, dass die Druckluft in einen Wasserbehälter geleitet wird, wodurch das Wasser durch eine Turbine geleitet wird und entspannt wird. Der von der Turbine angetriebene Generator erzeugt Strom, der einem Stromnetz zugeführt wird.Out DE 10 2013 018 741 A1 a system for energy storage and recovery is known in which excess energy is stored in a power network by means of compressed air in a compressed air tank. The energy recovery is accomplished by passing the compressed air into a water tank, which directs the water through a turbine and relaxes it. The generator driven by the turbine generates electricity, which is supplied to a power grid.

Ausgehend von den bekannten Energiespeichermöglichkeiten wird ein System vorgeschlagen, mit welchem auf effiziente Art und Weise überschüssige Energie in einem öffentlichen oder nichtöffentlichen Stromnetz gespeichert und bei Energiebedarf wieder an selbiges abgegeben werden kann.Starting from the known energy storage options, a system is proposed, with which in an efficient way excess energy stored in a public or non-public power grid and can be returned to the same energy demand.

Vorgeschlagen wird ein System zur Energiespeicherung und -rückgewinnung, insbesondere ein Kraftwerk, umfassend mindestens einen Druckluftbehälter, mindestens einen mit dem Druckluftbehälter in Verbindung stehenden Druckwasserbehälter, mindestens eine mit dem Druckwasserbehälter in Verbindung stehende Turbine, an welche ein Generator zur Erzeugung elektrischer Energie angeschlossen ist und eine Hochdruckpumpe zur Förderung von Wasser aus einem Wasserspeicher in den Druckwasserbehälter. Bei dem vorgeschlagenen System steht der Druckluftbehälter permanent im Druckgleichgewicht mit dem Druckwasserbehälter. Dadurch wird erreicht, dass während der Energiespeicherung und -rückgewinnung der Druck im Druckluftbehälter gleich dem Druck des Druckwasserbehälters ist.A system for storing and recovering energy, in particular a power plant, comprising at least one compressed air tank, at least one pressure water tank connected to the compressed air tank, at least one turbine in communication with the pressurized water tank, to which a generator for generating electrical energy is connected and proposed a high-pressure pump for pumping water from a water reservoir into the pressurized water tank. In the proposed system, the compressed air tank is permanently in pressure equilibrium with the pressurized water tank. This ensures that during the energy storage and recovery of the pressure in the compressed air tank is equal to the pressure of the pressurized water tank.

Mit anderen Worten bei dem vorgeschlagenen System sind der Druckluftbehälter und der Druckwasserbehälter derart miteinander verbunden, dass ein ständiger Druckausgleich zwischen den beiden Behältern stattfindet, so dass während der Energiespeicherung als auch während der Energiegewinnung der Druck in den beiden Behältern immer ausgeglichen ist, d. h. zwischen dem Druckwasserbehälter und dem Druckluftbehälter besteht ein Druckgleichgewicht. Dies bedeutet also, dass bei Energiespeicherung, d. h. Wasser wird in den Druckwasserbehälter eingeleitet, der Druck im Restvolumen des Druckwasserbehälters einerseits stets ansteigt, andererseits der Druck m Restvolumen des Druckwasserbehälters stets identisch ist zum Druck im Druckluftbehälter. Bei der Energierückgewinnung, d. h. Wasser wird aus dem Druckwasserbehälter hinausgeleitet, sinkt der Druck im Restvolumen des Druckwasserbehälters einerseits stets ab, andererseits ist der Druck im Restvolumen des Druckwasserbehälters stets identisch zu dem Druck im Druckluftbehälter.In other words, in the proposed system, the compressed air tank and the pressurized water tank are interconnected so that a constant pressure equalization between the two containers takes place, so that during energy storage as well as during energy production, the pressure in the two containers is always balanced, d. H. There is a pressure equilibrium between the pressure water tank and the compressed air tank. This means that when energy storage, d. H. Water is introduced into the pressure water tank, the pressure in the residual volume of the pressurized water tank always increases on the one hand, on the other hand, the pressure m residual volume of the pressurized water tank is always identical to the pressure in the compressed air tank. In energy recovery, d. H. Water is led out of the pressurized water tank, the pressure in the residual volume of the pressurized water tank always drops on the one hand, on the other hand, the pressure in the residual volume of the pressurized water tank is always identical to the pressure in the compressed air tank.

Aus dem bekannten Stand der Technik ist es nicht bekannt, dass während des Betriebs der Energiespeicherung bzw. -rückgewinnung ein Druckgleichgewicht zwischen Druckluftbehälter und Druckwasserbehälter vorhanden ist.From the known prior art it is not known that during operation of the energy storage or recovery a pressure equilibrium between compressed air tank and pressurized water tank is present.

Im Weiteren sei klargestellt, dass das vorgeschlagene System der Energiespeicherung als auch der Energierückgewinnung dient. Selberstverständlich weist das vorgeschlagene System hierfür jeweils einen Betriebszustand auf, nämlich einen ersten Zustand für die Energiespeicherung und einen zweiten Zustand für die Energierückgewinnung.It should be further clarified that the proposed system is used for energy storage as well as for energy recovery. Of course, the proposed system for this purpose each have an operating state, namely a first state for energy storage and a second state for energy recovery.

Bei der Energiespeicherung wird, wie später noch beschrieben wird, Wasser über eine Hochdruckpumpe aus einem Wasserspeicher in den Druckwasserbehälter gepumpt, wobei die Hochdruckpumpe mittels überschüssiger Energie in einem öffentlichen oder nichtöffentlichen Stromnetz betrieben wird. Durch die anwachsende Wassermenge im Druckwasserbehälter wird die restliche Druckluft im Druckwasserbehälter in den angeschlossenen Druckluftbehälter verdrängt unter gleichzeitiger Druckerhöhung aufgrund des konstanten Volumens der Behälter. Aufgrund des Druckausgleichs zwischen Druckwasserbehälter und Druckluftbehälter herrscht in beiden Behältern stets identischer Druck. Dieser Druck steigt bei zunehmener Wassermenge im Druckwasserbehälter kontinuierlich bis zu einem vorgebbaren Maximalwert an.In the energy storage, as will be described later, water via a high-pressure pump from a water reservoir in the Pumped pressurized water tank, the high pressure pump is operated by means of excess energy in a public or non-public power grid. Due to the increasing amount of water in the pressurized water tank, the remaining compressed air in the pressurized water tank is displaced into the connected compressed air tank with simultaneous pressure increase due to the constant volume of the tank. Due to the pressure balance between the pressurized water tank and the compressed air tank, there is always identical pressure in both tanks. This pressure increases with increasing amount of water in the pressurized water tank continuously up to a predetermined maximum value.

Bei der Energierückgewinnung wird Wasser aus dem Druckwasserbehälter einer Turbine zugeführt, welche über einen angeschlossenen Generator Strom erzeugt, welcher einem angeschlossenen öffentlichen oder nichtöffentlichen Stromnetz zugeführt wird. Durch die abnehmende Wassermenge bei konstantem Volumen der Behälter sinkt der Druck in dem Druckwasserbehälter. Aufgrund des Druckausgleichs zwischen Druckwasserbehälter und Druckluftbehälter herrscht in beiden Behältern zu jedem Zeitpunkt identischer Druck. Dieser Druck sinkt bei abnehmender Wassermenge im Druckwasserbehälter kontinuierlich bis zu einem vorgebbaren Minimalwert ab.In the energy recovery water from the pressurized water tank is supplied to a turbine, which generates electricity via a connected generator, which is supplied to a connected public or non-public power grid. Due to the decreasing amount of water at a constant volume of the container, the pressure in the pressurized water tank decreases. Due to the equalization of pressure between the pressurized water tank and the compressed air tank, both tanks have identical pressure at all times. This pressure decreases with decreasing amount of water in the pressure water tank continuously up to a predetermined minimum value.

In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist das vorgeschlagene System eine erste leistungsstarke Turbine mit einem Leistungsbereich von z. B. 30 MW–150 MW und eine zweite leistungsschwache Turbine mit einem Leistungsbereich von z. B. 6 MW–30 MW auf. Jede Turbine ist über jeweils ein Absperventil mit dem Ausgang des Druckwasserbehälters verbunden. Jede Turbine ist jeweils mit einem Generator verbunden. Die Generatoren sind mit dem Stromnetz verbunden.In a further exemplary embodiment, the proposed system comprises a first high-performance turbine with a power range of, for. B. 30 MW-150 MW and a second low-power turbine with a power range of z. B. 6 MW-30 MW. Each turbine is connected via a respective shut-off valve to the outlet of the pressurized water tank. Each turbine is connected to a generator. The generators are connected to the power grid.

Der Generator der zweiten leistungsschwachen Turbine ist zusätzlich beispielhaft mit der Hochruckpumpe verbunden. Bei Stromüberschuss im Stromnetz wird der Generator der zweiten leistungsschwachen Turbine als Motor betrieben und treibt die Hochdruckpumpe an zur Förderung von Wasser aus einem Wasserspeicher in den Druckwasserbehälter.The generator of the second low-power turbine is additionally connected by way of example with the high-pressure pump. When excess electricity in the power grid, the generator of the second low-power turbine is operated as a motor and drives the high pressure pump to pump water from a water reservoir in the pressurized water tank.

Ein Vorteil des vorgeschlagenen Systems ist, dass es nur einen geringen Flächenbedarf in Anspruch nimmt und an jeder beliebigen Stelle in der Nähe von Hochspannungsleitungen aufstellbar ist. Ferner benötigt das vorgeschlagene System keine zusätzlichen Ressourcen.An advantage of the proposed system is that it takes up only a small space requirement and can be set up anywhere near high-voltage lines. Furthermore, the proposed system does not require additional resources.

Das vorgeschlagene System arbeitet mit Betriebsdrucken bis 200 bar. Bei entsprechender Auslegung der Druckbehälter (Druckwasserbehälter, Druckluftbehälter) sind sogar Drucke bis 500 bar möglich. Dadurch wird eine hohe Energiedichte erzielt, die auf kleinstem Raum gespeichert werden kann. Auf diese Weise sind z. B. Leistungen zwischen 2 und 150 MW möglich. Durch Erweiterung, d. h. Vergrößerung der Druckluftbehälter und Druckwasserbehälter können beliebige Energiemengen wesentlich kostengünstiger als bei bisher bekannten Speichersystemen gespeichert werden. So ist es z. B. möglich, das Volumen des Druckluftbehälters doppelt so groß wie das Volumen des Druckwasserbehälters auszulegen.The proposed system works with operating pressures up to 200 bar. With appropriate design of the pressure vessel (pressurized water tank, compressed air tank) even pressures up to 500 bar are possible. As a result, a high energy density is achieved, which can be stored in the smallest space. In this way, z. B. Power between 2 and 150 MW possible. By extension, d. H. Enlargement of the compressed air tank and pressurized water tank can be stored much cheaper than any previously known storage systems any amount of energy. So it is z. B. possible to interpret the volume of the compressed air tank twice as large as the volume of the pressurized water tank.

Bei dem vorgeschlagenen System ist zwischen dem Druckluftbehälter und dem Druckwasserbehälter genau eine Druckleitung vorhanden, welche ausgebildet ist, bei Energiespeicherung Druckluft vom Druckwasserbehälter zum Druckluftbehälter und bei Energierückgewinnung Druckluft vom Druckluftbehälter zum Druckwasserbehälter zu leiten. Diese Druckleitung dient bei der Energierückgewinnung dazu, dass Druckluft aus dem Druckluftbehälter ohne Druckverlust in den Druckwasserbehälter strömen kann. Bei der Energiespeicherung dient diese Druckleitung dazu, dass Druckluft aus dem Druckwasserbehälter ohne Druckverlust in den Druckluftbehälter strömen kann. Damit wird ein einfacher Aufbau sichergestellt.In the proposed system, exactly one pressure line is present between the compressed air tank and the pressurized water tank, which is designed to direct compressed air from the pressurized water tank to the compressed air tank and energy recovery compressed air from the compressed air tank to the pressurized water tank at energy storage. This pressure line is used in the energy recovery that compressed air from the compressed air tank can flow without pressure loss in the pressure water tank. When storing energy, this pressure line is used to allow compressed air from the pressurized water tank to flow into the compressed air tank without loss of pressure. This ensures a simple construction.

Bei dem vorgeschlagenen System ist eine Steuereinheit vorhanden, welche ausgebildet ist, in Abhängigkeit der Auslastung eines mit dem System verbundenen oder verbindbaren öffentlichen oder nicht öffentlichen Stromnetzes, die Hochdruckpumpe mittels Strom aus dem öffentlichen Stromnetz anzusteuern, um Wasser aus einem Wasserspeicher in den Druckwasserbehälter zu pumpen, wenn im öffentlichen Stromnetz ein Energieüberschuss vorhanden ist. Druckwasser wird aus dem Druckwasserbehälter zur Turbine geleitet und der in dem an die Turbine angeschlossenen Generator erzeugte Strom dem öffentlichen Stromnetz zugeführt, wenn im öffentlichen Stromnetz ein Energiebedarf besteht. Mit dem vorgeschlagenen System kann so mit kurzen Reaktionszeiten entweder überschüssige Energie gespeichert oder gespeicherte Energie zur Verfügung gestellt werden.In the proposed system, a control unit is provided, which is designed, depending on the utilization of a connected to the system or connectable public or non-public power grid to control the high-pressure pump by means of electricity from the public grid to pump water from a water reservoir in the pressurized water tank if there is an energy surplus in the public electricity grid. Pressurized water is passed from the pressurized water tank to the turbine and the power generated in the generator connected to the turbine is supplied to the public power grid when there is an energy demand in the public power grid. The proposed system can be stored with short reaction times either excess energy or stored energy can be made available.

Das vorgeschlagene System arbeitet im Wesentlichen mit umlaufendem Wasser, das durch die Turbine entspannt und mit Hilfe von Hochdruckpumpen in den Druckwasserbehälter zurückgepumpt wird. Das System arbeitet mit einer geringen Menge an Ergänzungswasser und Ergänzungsluft. Ergänzungswasser bzw. Ergänzungsluft kann aufgrund von Leckagen im Drucksystem nötig werden und bei Bedarf in die jeweiligen Behälter nachgefüllt werden. Die benötigte Menge wird während des Betriebes des vorgeschlagenen Systems über die Steuereinheit ermittelt und über einen Druckluftspeicher zugeführt.The proposed system essentially works with circulating water, which is expanded by the turbine and pumped back by means of high-pressure pumps in the pressure water tank. The system works with a small amount of make-up water and make-up air. Supplementary water or supplementary air may be necessary due to leaks in the pressure system and, if necessary, be refilled into the respective containers. The required amount is determined during operation of the proposed system via the control unit and supplied via a compressed air reservoir.

Vorgeschlagen ist eine Vergleichseinrichtung zum Vergleichen des momentanen Drucks im Druckwasserbehälter und/oder des momentanen Drucks im Druckluftbehälter und der momentanen Wassermenge im Druckwasserbehälter mit einem Solldruckwert. Die Vergleichseinrichtung ist derart ausgebildet, dass in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs dem Druckluftbehälter Druckluft aus einem Druckluftspeicher (Windkessel) zugeführt wird. Die durch Leckage entwichene Luft wird somit durch Ergänzungsluft ausgeglichen. Insbesondere ist der Druckluftspeicher mit einem Kompressor verbunden zur Förderung von Außenluft in den Druckluftspeicher. Mit anderen Worten, der Druckluftbehälter wird ausschließlich über einen vorgelagerten Druckluftspeicher, welcher durch einen Kompressor befüllbar ist, mit Druckluft befüllt. Proposed is a comparison device for comparing the instantaneous pressure in the pressure water tank and / or the instantaneous pressure in the compressed air tank and the instantaneous amount of water in the pressure water tank with a target pressure value. The comparison device is designed such that, depending on the result of the comparison, compressed air is supplied to compressed air from a compressed air reservoir (air chamber). The leaked by leakage air is thus compensated by supplementary air. In particular, the compressed air reservoir is connected to a compressor for conveying outside air into the compressed air reservoir. In other words, the compressed air tank is filled exclusively with compressed air via an upstream compressed air reservoir, which can be filled by a compressor.

Mit Hilfe des Kompressors wird der Druck einmalig im Druckluftbehälter und Druckwasserbehälter vor Inbetriebnahme des Speicherkraftwerks auf einen Druck von 50, 100, 200 oder bis zu 500 bar komprimiert. Nach Inbetriebnahme des Kraftwerks, d. h. während der Betriebsphase, in welcher das Kraftwerk zur Energiespeicherung und Energierückgewinnung genutzt wird, dient der Kompressor ausschließlich der Zuleitung von Druckluft in einen Druckluftspeicher, welcher dem Druckluftbehälter vorgeschaltet ist.With the help of the compressor, the pressure is compressed once in the compressed air tank and pressurized water tank before commissioning of the storage power plant to a pressure of 50, 100, 200 or up to 500 bar. After commissioning of the power plant, d. H. During the operating phase, in which the power plant is used for energy storage and energy recovery, the compressor is used exclusively for the supply of compressed air in a compressed air storage, which is connected upstream of the compressed air tank.

Durch den hohen Betriebsdruck des Speicherkraftwerks von 50, 100, 200 oder bis zu 500 bar wird bereits bei relativ geringer Wassermenge im Druckwasserbehälter eine verhältnismäßig hohe Energiedichte erzielt. Das unter Druck stehende Wasser mit hoher Energiedichte wird einer Turbine, z. B. einer Peltonturbine zugeführt und durch einen mit der Turbine gekoppelten Generator in elektrische Energie umgewandelt. Diese Energie wird zur Einspeisung in ein bestehendes angeschlossenes oder anschließbares Stromnetz zur Verfügung gestellt. Das vorgeschlagene System, insbesondere das vorgeschlagene Kraftwerk kann, je nach Speicherbedarf, mit mehreren Druckluft- und Druckwasserbehältern ausgestattet und somit an die erforderliche Speicherleistung angepasst werden. Das vorgeschlagene System ist flexibel und kann im Minutenbereich gestartet oder gestoppt werden. Während des Betriebs kann das System im Sekundenbereich geregelt werden und an den Leistungsbedarf des Stromnetzes angepasst werden.Due to the high operating pressure of the storage power plant of 50, 100, 200 or up to 500 bar a relatively high energy density is achieved even with relatively small amount of water in the pressurized water tank. The pressurized water with high energy density is a turbine, z. B. a Pelton turbine and converted by a generator coupled to the turbine into electrical energy. This energy is provided for feeding into an existing connected or connectable power grid. The proposed system, in particular the proposed power plant can, depending on memory requirements, equipped with multiple compressed air and pressurized water tanks and thus adapted to the required storage capacity. The proposed system is flexible and can be started or stopped within minutes. During operation, the system can be controlled in seconds and adapted to the power requirements of the power grid.

Diesbezüglich ist vorgeschlagen, dass die Steuereinheit derart ausgebildet ist, die von der Turbine erzeugte Leistung durch Öffnung oder Schließen von mit der Turbine verbundenen Wassereinlaufdüsen zu regeln.In this regard, it is proposed that the control unit be designed to regulate the power generated by the turbine by opening or closing water inlet nozzles connected to the turbine.

Die Erfindung sowie weitere Vorteile der Erfindung werden im Weiteren anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigenThe invention and further advantages of the invention will be explained in more detail with reference to figures. Show it

1a ein erstes beispielhaftes vorgeschlagenes System mit einem Druckluftbehälter und einem Druckwasserbehälter, 1a a first exemplary proposed system with a compressed air tank and a pressure water tank,

1b ein zweites beispielhaftes vorgeschlagenes System mit einem Druckluftbehälter und einem Druckwasserbehälter 1b a second exemplary proposed system with a compressed air tank and a pressurized water tank

2 ein vorgeschlagenes System gemäß 1 mit beispielhaft vier Druckluftbehältern und vier Druckwasserbehälter. 2 a proposed system according to 1 with exemplary four compressed air tanks and four pressurized water tanks.

1a zeigt das erstes vorgeschlagene System mit einem Druckluftbehälter 1 und einem Druckwasserbehälter 2. Der Druckluftbehälter 1 weist einen Einlass 1e für Druckluft und einen Auslass 1a für Druckluft auf. Der Einlass 1e des Druckluftbehälters 1 steht in Verbindung mit einem Druckluftspeicher 18, welcher auch die Funktion eines Druckluftausgleichsbehälter übernimmt. Dieser Druckluftspeicher 18 ist mit einem Kompressor 17 verbunden, welcher komprimierte Außenluft dem Druckluftspeicher 18 zuführen kann. Die Stromversorgung des Kompressors 17 erfolgt durch ein an das System angeschlossenes oder anschließbares Stromnetz S. Das Nachfüllen von Druckluft aus dem Druckluftspeicher 18 in den Druckluftbehälter 1 erfolgt, wie weiter unten erläutert, nach Bedarfsermittlung durch eine mit der Steuereinheit 13 in Verbindung stehenden Vergleichseinheit 14. Die Steuereinheit 13 ist über eine Datenleitung 16 mit einem Regelventil 19 verbunden. Dieses Regelventil 19 ist zwischen dem Druckluftspeicher 18 und dem Druckluftbehälter 1, insbesondere zwischen dem Ausgang des Druckluftspeicher 18 und dem Eingang 1e des Druckluftbehälter 1, angeordnet. Damit ist sichergestellt, dass während des Betriebs des Systems der Druck in dem System konstant gehalten werden kann, z. B. bei 200 bar. Mittels der Vergleichseinheit 14 kann, wie weiter unten erläutert, ausgehend von der im Druckwasserbehälter 2 ermittelten Wassermenge und dem zur Verfügung stehenden Volumen im Druckluftbehälter 1 und im Druckwasserbehälter 2 die für einen vorgegebenen Druck, z. B. 200 bar, benötigte Menge an Druckluft ermittelt werden, welche gegebenfalls aus dem Druckluftspeicher 18 über das Regelventil 19 in den Druckluftbehälter 1 nachgefüllt werden muss. 1a shows the first proposed system with a compressed air tank 1 and a pressurized water tank 2 , The compressed air tank 1 has an inlet 1e for compressed air and an outlet 1a for compressed air. The inlet 1e of the compressed air tank 1 is in connection with a compressed air storage 18 , which also takes over the function of a compressed air expansion tank. This compressed air storage 18 is with a compressor 17 connected, which compressed outside air the compressed air reservoir 18 can supply. The power supply of the compressor 17 This is done by a mains power supply S connected or connectable to the system. The refilling of compressed air from the compressed air reservoir 18 in the compressed air tank 1 takes place, as explained below, as needed by a with the control unit 13 related comparison unit 14 , The control unit 13 is via a data line 16 with a control valve 19 connected. This control valve 19 is between the compressed air storage 18 and the compressed air tank 1 , in particular between the output of the compressed air reservoir 18 and the entrance 1e of the compressed air tank 1 arranged. This ensures that during operation of the system the pressure in the system can be kept constant, e.g. B. at 200 bar. By means of the comparison unit 14 can, as explained below, starting from the pressure water tank 2 determined amount of water and the available volume in the compressed air tank 1 and in the pressure water tank 2 for a given pressure, z. B. 200 bar, required amount of compressed air are determined, which optionally from the compressed air reservoir 18 via the control valve 19 in the compressed air tank 1 must be refilled.

Der Auslass 1a des Druckluftbehälters 1 ist über eine Druckleitung 5 mit dem Einlass 2e eines Druckwasserbehälters 2 verbunden. Der Ausgang 2a des Druckwasserbehälters 2 ist über ein Absperrventil 6 mit einer Turbine 3 verbunden. Die Turbine 3 weist ein regelbares Einlaufventil 7 auf, über welches die Durchflussmenge des Wassers aus dem Druckwasserbehälters 2 in die Turbine 3 reguliert werden kann, wodurch die Leistung der Turbine 3 geregelt werden kann. Hierzu ist das Einlaufventil 7 über eine Datenleitung 16 mit der Steuereinheit 13 verbunden. Die Turbine 3 ist mit einem Generator 4 zur Stromerzeugung verbunden. Dieser Generator 4 ist an ein Stromnetz S angeschlossen oder mit einem Stromnetz S verbindbar.The outlet 1a of the compressed air tank 1 is via a pressure line 5 with the inlet 2e a pressurized water tank 2 connected. The exit 2a of the pressurized water tank 2 is via a shut-off valve 6 with a turbine 3 connected. The turbine 3 has a controllable inlet valve 7 over which the flow rate of water from the pressurized water tank 2 in the turbine 3 be regulated can, reducing the power of the turbine 3 can be regulated. For this purpose, the inlet valve 7 via a data line 16 with the control unit 13 connected. The turbine 3 is with a generator 4 connected to power generation. This generator 4 is connected to a power grid S or connectable to a power grid S.

Die Turbine 3 ist derart ausgebildet, dass das im Falle der Energierückgewinnung durch die Turbine 3 geleitete Wasser in einen Wasserspeicher 9 entspannt wird. Der Wasserspeicher 9 weist eine Vorkammer 10 auf zur Entnahme des Wassers im Falle der Energiespeicherung. Diese Vorkammer 10 weist eine Öffnung 10a auf, welche derart ausgeführt ist, dass die untere Begrenzung dieser Einlauföffnung 10a oberhalb des Bodens der Vorkammer 10 angeordnet ist. Die obere Begrenzung der Öffnung 10a ist unterhalb des Wasserspiegels (nicht dargestellt) im Wasserspeicher 9 angeordnet. Dadurch wird verhindert, dass Schwereteile im Wasser in die Vorkammer 10 gelangen, was zu Störungen der Hochdruckpumpe 11 und Verunreinigungen im Druckwasserbehälter 2 führen kann und dadurch zu Störungen in der Turbine 3. Ferner wird verhindert, dass der durch die Wasserentspannung von der Turbine 3 erzeugte Schaum im Wasser, erzeugt durch Nanobläschen im Wasser, in die Vorkammer 10 und zur Hochdruckpumpe 11 gelangt.The turbine 3 is designed such that in the case of energy recovery by the turbine 3 piped water into a water reservoir 9 is relaxed. The water storage 9 has an antechamber 10 to remove the water in the case of energy storage. This antechamber 10 has an opening 10a which is designed such that the lower boundary of this inlet opening 10a above the bottom of the antechamber 10 is arranged. The upper limit of the opening 10a is below the water level (not shown) in the water tank 9 arranged. This will prevent heavy parts in the water from entering the antechamber 10 arrive, causing disturbances of the high-pressure pump 11 and impurities in the pressurized water tank 2 can lead and thereby disturbances in the turbine 3 , It also prevents the water from the turbine 3 generated foam in the water, generated by nanobubbles in the water, in the antechamber 10 and to the high pressure pump 11 arrives.

Die Vorkammer 10 ist mit einer Hochdruckpumpe 11 verbunden, welche über eine Verbindungsleitung 12, welche die Hochdruckpumpe 11 mit dem Druckwasserbehälter 2 verbindet, das Wasser aus der Vorkammer 10 in den Druckwasserbehälter 2 pumpt. Die Stromerzeugung der Hochdruckpumpe 11 erfolgt dazu aus dem angeschlossenen oder anschließbaren Stromnetz S. Darüber hinaus ist in der Verbindungsleitung 12 zwischen Hochdruckpumpe 11 und Druckwasserbehälter 2 ein Rückschlagventil 8 vorgesehen. Dieses Rückschlagventil 8 dient dazu, dass der während der Energiespeicherung aufgebaute Druck im Druckwasserbehälter 2 keine Rückkopplung auf die Hochdruckpumpe 11 bewirkt. Selbstverständlich kann der Druckwasserbehälter 2 am Zugang 2a der Verbindungsleitung 12 in den Druckwasserbehälter 2 ein Absperrventil (nicht dargestellt) aufweisen.The antechamber 10 is with a high pressure pump 11 connected, which via a connecting line 12 which the high pressure pump 11 with the pressure water tank 2 connects the water from the antechamber 10 in the pressure water tank 2 inflated. The power generation of the high-pressure pump 11 This is done from the connected or connectable power grid S. In addition, in the connecting line 12 between high-pressure pump 11 and pressurized water tank 2 a check valve 8th intended. This check valve 8th serves to ensure that the pressure built up during energy storage in the pressure water tank 2 no feedback on the high-pressure pump 11 causes. Of course, the pressurized water tank 2 at the entrance 2a the connection line 12 in the pressure water tank 2 a shut-off valve (not shown).

Das System weist eine Steuereinheit 13 auf. Diese Steuereinheit 13 ist über eine Datenleitung 16 mit Drucksensoren (nicht dargestellt) im Druckluftbehälter 1 und/oder Druckwasserbehälter 2 sowie mit Füllstandssensoren (nicht dargestellt) im Druckwasserbehälter 2 verbunden. Die Steuereinheit 13 umfasst eine Vergleichseinrichtung 14 zum Vergleichen des momentanen Drucks im Druckwasserbehälter 2 bzw. des momentanen Drucks im Druckluftbehälter 1 und der momentanen Wassermenge im Druckwasserbehälter 2 mit einem Solldruckwert, wobei die Vergleichseinrichtung 14 ausgebildet ist, dass in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs dem Druckluftbehälter 1 Druckluft aus dem Druckluftspeicher 18 über ein Regelventil 19 zugeführt wird.The system has a control unit 13 on. This control unit 13 is via a data line 16 with pressure sensors (not shown) in the compressed air tank 1 and / or pressurized water tank 2 and with level sensors (not shown) in the pressure water tank 2 connected. The control unit 13 includes a comparison device 14 for comparing the instantaneous pressure in the pressurized water tank 2 or the instantaneous pressure in the compressed air tank 1 and the current amount of water in the pressurized water tank 2 with a target pressure value, wherein the comparison device 14 is formed such that, depending on the result of the comparison, the compressed air tank 1 Compressed air from the compressed air reservoir 18 via a control valve 19 is supplied.

Die Steuereinheit 13 ist mit einer Datenleitung 16 mit einem Netzrechner 15 eines angeschlossenen oder anschließbaren öffentlichen oder nicht öffentlichen Stromnetzes S verbunden. Über den Netzrechner 15 wird eine Anforderung an die Steuereinheit 13 gestellt, ob das System zur Energiegewinnung oder zur Energiespeicherung genutzt werden soll oder kann.The control unit 13 is with a data line 16 with a network computer 15 a connected or connectable public or non-public power grid S connected. About the network computer 15 becomes a request to the control unit 13 asked whether the system should or can be used for energy production or energy storage.

Hierzu ist die Steuereinheit 13 über eine Datenleitung 16 mit dem regelbaren Einlaufventil 7 der Turbine 3 verbunden. Damit ist es möglich, die vom Netzrechner 15 des öffentlichen Stromnetzes angeforderte Leistung an der Turbine 3 einzustellen. Ferner ist die Steuereinheit 13 über eine Datenleitung 16 mit dem Absperrventil 6 verbunden. Damit wird sichergestellt, dass nur im Falle der Energierückgewinnung das Absperrventil 6 geöffnet wird und eine Verbindung zwischen Druckwasserbehälter 2 und Turbine 3 hergestellt ist.This is the control unit 13 via a data line 16 with the adjustable inlet valve 7 the turbine 3 connected. This makes it possible for the network computer 15 power demanded from the utility grid on the turbine 3 adjust. Further, the control unit 13 via a data line 16 with the shut-off valve 6 connected. This ensures that only in the case of energy recovery the shut-off valve 6 is opened and a connection between pressure water tank 2 and turbine 3 is made.

Ferner ist die Steuereinheit 13 über eine Datenleitung 16 mit einem Steuergerät (nicht dargestellt) der Hochdruckpumpe 11 verbunden. Damit ist es möglich, die aus dem Stromnetz S dem System zur Verfügung gestellte überschüssige Energie bei Bedarf in Förderung von Wasser in den Druckwasserbehälter 2 umzusetzen.Further, the control unit 13 via a data line 16 with a control unit (not shown) of the high-pressure pump 11 connected. This makes it possible, the excess energy from the power grid S made available when needed in promotion of water in the pressurized water tank 2 implement.

1b zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform des in 1a dargestellten Systems. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die Beschreibung der 1a verwiesen. Das in 1b gezeigte Kraftwerk ist im Unterscheid zu 1a mit einer leistungsstarken Turbine 3 und einer leistungsschwachen Turbine 3a ausgestattet. Mit dieser Anordnung ist es möglich, sehr große Leistungsspannen abzudecken. So kann z. B. mit der kleinen Turbine 3a ein geringer Leistungsbedarf im Stromnetz S und mit der großen Turbine 3 ein großer Leistungsbedarf im Stromnetz S abgedeckt werden. Hierzu sind die große Turbine 3 und die kleine Turbine 3a jeweils mit dem Stromnetz S gekoppelt. 1b shows another exemplary embodiment of the in 1a illustrated system. To avoid repetition, the description of the 1a directed. This in 1b shown power plant is in the different too 1a with a powerful turbine 3 and a low-power turbine 3a fitted. With this arrangement, it is possible to cover very large power margins. So z. B. with the small turbine 3a a low power requirement in the power grid S and with the large turbine 3 a large power requirement in the power grid S are covered. These are the big turbine 3 and the little turbine 3a each coupled to the power grid S.

Der Generator 4a ist ebenfalls mit der Hochdruckpumpe 11 gekoppelt. Im Falle von Stromüberschuss im Stromnetz, wird der Generator 4a als Motor betrieben und treibt die Hochdruckpumpe 11 an zur Förderung von Wasser aus dem Wasserspeicher 9 in den Druckwasserbehälter 2.The generator 4a is also with the high pressure pump 11 coupled. In case of electricity surplus in the mains, the generator becomes 4a operated as a motor and drives the high pressure pump 11 to promote water from the water reservoir 9 in the pressure water tank 2 ,

Im Falle von Strombedarf im Stromnetz S kann das Wasser aus dem Druckwasserbehälter 2 entweder über die leistungsstarke Turbine 3 oder über die leistungsschwache Turbine 3a in den Wasserspeicher 9 entspannt werden.In case of electricity demand in the power grid S, the water from the pressurized water tank 2 either via the powerful turbine 3 or about the low-power turbine 3a in the water storage 9 to be relaxed.

Die kleine Turbine 3a weist zweckmäßig einen Leistungsbereich von 6 MW bis 30 MW auf. Die große Turbine 3 weist zweckmäßig einen Leistungsbereich von 30 MW bis 150 MW oder 30 MW bis 200 MW auf. Damit ist es möglich, dass je nach dem Strombedarf, den der Netzrechner 15 im Stromnetz S ermittelt, entweder die leistungsstarke Turbine 3 oder die leistungsschwache Turbine 3a von der Steuereinheit 13 angesteuert wird. Damit können je nach Bedarf kleine Stromspitzen oder große Stromspitzen im Stromnetz S kompensiert werden.The small turbine 3a expediently has a power range of 6 MW to 30 MW. The big turbine 3 Expediently has a power range of 30 MW to 150 MW or 30 MW to 200 MW. Thus, it is possible that, depending on the power requirements, the network computer 15 In the power grid S determines either the powerful turbine 3 or the low-power turbine 3a from the control unit 13 is controlled. Thus, small current peaks or large current peaks in the power grid S can be compensated as needed.

2 zeigt ein System gemäß 1a bei welchem zusätzliche Druckwasserbehälter 2 und zusätzliche Druckluftbehälter 1 vorhanden sind. Diese Behälter 1, 2 sind jeweils parallel zueinander geschaltet und erweitern damit die Speicherkapazität des Systems. 2 shows a system according to 1a in which additional pressurized water tank 2 and additional compressed air tanks 1 available. These containers 1 . 2 are each connected in parallel with each other, thereby expanding the storage capacity of the system.

Das erforderliche Wasser wird vor Inbetriebnahme des Systems in den Druckwasserbehälter 2 gefüllt. Zweckmäßig erfolgt die erstmalige Befüllung des Druckwasserbehälters 2 bei Atmosphärendruck. Der erforderliche Druck im Druckluftbehälter 1 bzw. Druckwasserbehälter 2 wird mit Hilfe des Kompressors 17 erzeugt und in den Druckluftbehälter 1 gefüllt. Je nach gefordertem Betriebsdruck wird der Druck in dem Druckluftbehälter 1 und damit in dem Druckwasserbehälter 2 auf 50, 100, 200 oder 500 bar erhöht.The required water is added to the pressurized water tank before the system is put into operation 2 filled. Appropriately, the initial filling of the pressurized water tank 2 at atmospheric pressure. The required pressure in the compressed air tank 1 or pressurized water tank 2 is with the help of the compressor 17 generated and in the compressed air tank 1 filled. Depending on the required operating pressure of the pressure in the compressed air tank 1 and thus in the pressurized water tank 2 increased to 50, 100, 200 or 500 bar.

Durch Anforderung von Energie durch den Netzrechner des Stromnetzes S wird über die Steuereinheit 13 das Absperrventil 6 zwischen Druckwasserbehälter 2 und Turbine 3 geöffnet und somit das unter Druck stehende Wasser im Druckwasserbehälter 2 dem Einlaufventil 7 der Turbine 3 zugeführt. Die Menge des durch das Einlaufventil 7 in die Turbine 3 strömenden Wassers wird über die Steuereinheit 13 geregelt. Dadurch wird die von der Turbine 3 erzeugte Leistung geregelt. Der an die Turbine 3 gekoppelte Generator 4 erzeugt die vom Netzrechner 15 des Stromnetzes S angeforderte Energiemenge und speist diese in das Stromnetz S ein.By requesting energy through the network computer of the power grid S is via the control unit 13 the shut-off valve 6 between pressurized water tank 2 and turbine 3 opened and thus the pressurized water in the pressure water tank 2 the inlet valve 7 the turbine 3 fed. The amount of through the inlet valve 7 in the turbine 3 flowing water is through the control unit 13 regulated. This will remove the from the turbine 3 generated power regulated. The one to the turbine 3 coupled generator 4 generates the from the network computer 15 of the power grid S requested amount of energy and feeds them into the power grid S.

Es ist somit möglich, dass die Steuereinheit 13 die Energierückgewinnung und die Energiespeicherung im System regelt. Die Steuereinheit 13 erhält über entsprechende Datenleitungen 16 vom Netzrechner 15 des Stromnetzes S Vorgaben bezüglich der jeweiligen Betriebsphase, d. h. ob sich das System in der Betriebsphase der Energierückgewinnung oder der Energiespeicherung befindet.It is thus possible for the control unit 13 Regulates energy recovery and energy storage in the system. The control unit 13 receives over appropriate data lines 16 from the network computer 15 of the power grid S specifications regarding the respective operating phase, ie whether the system is in the operating phase of energy recovery or energy storage.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: DruckluftbehälterAir receiver
1e1e: Eingangentrance
1a1a: Ausgangoutput
22: DruckwasserbehälterPressurized water tank
2e2e: Eingangentrance
2a2a: Ausgangoutput
33: große Turbinebig turbine
3a3a: kleine Turbinesmall turbine
44: Generatorgenerator
55: Druckleitungpressure line
66: Absperrventilshut-off valve
77: WassereinlaufdüseWassereinlaufdüse
88th: Rückschlagventilcheck valve
99: Wasserspeicherwater-tank
1010: Vorkammerantechamber
10a10a: Öffnungopening
1111: HochdruckwasserpumpeHigh pressure water pump
1212: Verbindungsleitungconnecting line
1313: Steuereinheitcontrol unit
1414: Vergleichseinheitcomparing unit
1515: Netzrechnernetwork computer
1616: Datenleitungdata line
1717: Kompressorcompressor
1818: DruckluftspeicherCompressed air storage
1919: Absperrventilshut-off valve
SS: Stromnetzpower grid

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102013018741 A1 [0006]

Claims

Energy storage and recovery system comprising at least one compressed air tank ( 1 ), at least one with the compressed air tank ( 1 ) associated pressurized water tanks ( 2 ), at least one with the pressurized water container ( 2 ) related turbine ( 3 . 3a ) to which a generator ( 4 . 4a ) is connected to generate electrical energy, a high-pressure pump ( 11 ) for pumping water from a water reservoir ( 9 ) in the pressurized water container ( 2 ), characterized in that the compressed air tank ( 1 ) permanently in pressure equilibrium with the pressurized water container ( 2 ) is such that during the energy storage and recovery of the pressure in the compressed air tank ( 1 ) equal to the pressure in the pressurized water tank ( 2 ).

System according to claim 1, characterized in that between a compressed air tank ( 1 ) and a pressurized water container ( 2 ) exactly one pressure line ( 5 ) is present, which is formed, when energy storage compressed air from the pressurized water tank ( 2 ) to the compressed air tank ( 1 ) and with energy recovery compressed air from the compressed air tank ( 1 ) to the pressurized water container ( 2 ).

System according to one of the preceding claims, characterized in that a control unit ( 13 ) is present, which is formed, depending on the utilization of a public power grid (S), the high-pressure pump ( 11 ) by means of electricity from the public power grid (S) to control water from the water reservoir ( 9 ) in the pressurized water container ( 2 ) to pump, if in the public power grid (S) an excess of energy is present or pressurized water from the pressurized water tank ( 2 ) to at least one turbine ( 3 . 3a ) and in the generator ( 4 . 4a ) to be supplied to the public power grid (S) when there is an energy demand in the public power grid (S).

System according to claim 3, characterized in that the control unit (S) is designed, in the case of energy recovery, that of the at least one turbine ( 3 . 3a ) produced by opening or closing of the turbine ( 3 . 3a ) connected water inlet nozzles ( 7 ).

System according to one of the preceding claims, characterized in that a comparison device ( 14 ) is present for comparing the instantaneous pressure in the pressurized water container ( 2 ) and the instantaneous pressure in the compressed air tank ( 1 ) and the instantaneous amount of water in the pressurized water tank ( 2 ) having a nominal pressure value, wherein the comparison device ( 14 ) is designed such that, depending on the result of the comparison, the compressed-air reservoir ( 1 ) Compressed air from a compressed air reservoir ( 18 ) is supplied.

System according to claim 5, characterized in that the compressed air reservoir ( 18 ) via a control valve ( 19 ) with a compressor ( 17 ) is connected to the conveying of outside air into the compressed air reservoir ( 18 ).

System according to one of the preceding claims, characterized in that the output ( 2a ) of the pressurized water tank ( 2 ) via a respective shut-off valve ( 6 ) with a first powerful turbine ( 3 ) and a second low-power turbine ( 3a ) and each turbine ( 3 . 3a ) each with a generator ( 4 . 4a ), the generator ( 4a ) of the second low-power turbine ( 3a ) with the power grid (S) and the high-pressure pump ( 11 ) connected is.

System according to one of the preceding claims, characterized in that the water reservoir ( 9 ) formed by the at least one turbine ( 3 . 3a ) absorbed water and that the water reservoir ( 9 ) an antechamber ( 10 ), which with the high-pressure pump ( 11 ) connected is.

System according to claim 8, characterized in that the antechamber ( 10 ) an opening ( 10a ) to the water reservoir ( 10 ) whose lower boundary is located above a bottom of the water reservoir ( 10 ) and its upper boundary under the water surface in the water reservoir ( 10 ) is located.