DE102014102922A1 - Gas storage arrangement - Google Patents
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Abstract
Offenbart ist eine Gasdruckspeicheranordnung, bei dem ein Gasdruckspeicher in ein ein Gewässer begrenzendes Bauwerk, beispielsweise einen Damm oder einen Deich, integriert ist.Disclosed is a gas pressure accumulator arrangement in which a gas pressure accumulator is integrated into a body of water-limiting structure, for example a dam or a dyke.
Description
Die Erfindung betrifft eine Gasdruckspeicheranordnung eines Kraftwerks.The invention relates to a gas pressure accumulator arrangement of a power plant.
Derartige Gasdruckspeicheranordnungen können zur Speicherung von in einem Kraftwerk beliebiger Bauart erzeugter Energie genutzt werden. Such gas pressure accumulator arrangements can be used for the storage of energy generated in a power plant of any type.
Im Zuge der aktuellen Abschaltung von Atomkraftwerken ist die Realisierung von Konzepten zur Nutzung erneuerbarer Energien in den Vordergrund getreten. In the course of the current shutdown of nuclear power plants, the realization of concepts for the use of renewable energies has come to the fore.
Relativ weit durchgesetzt haben sich Windkraftanlagen, die jedoch bei der Bevölkerung auf Widerstand stoßen, da sie zum Wind exponiert aufgestellt werden müssen und daher von weitem sichtbar sind. Des Weiteren sind die Schallemissionen derartiger Windkraftanlagen in der näheren Umgebung erheblich. Auch der Einfluss auf die Tierwelt ist umstritten. Wind turbines have prevailed relatively widely, but they meet with resistance from the population, as they have to be exposed to the wind and therefore are visible from afar. Furthermore, the noise emissions of such wind turbines in the vicinity are considerable. The influence on the animal world is also controversial.
Bei der Nutzung der Wasserkraft werden bereits seit langem die herkömmlichen Wasserkraftwerke verwendet, die an Staustufen oder dergleichen gebaut sind. Neuere Tendenzen gehen dazu, die Wellenenergie zu nutzen, um die kinetische Energie eines durch die Wellen bewegten Körpers in elektrische Energie umzuwandeln. Dabei gibt es so genannte Onshore-Anlagen, die im Brandungsbereich gebaut werden und bei denen eine Turbine oder dergleichen durch die in das Bauwerk einströmende Welle angetrieben wird. In the use of hydropower, the conventional hydropower plants have been used for a long time, which are built on barrages or the like. Recent trends are using wave energy to convert the kinetic energy of a body moving through the waves into electrical energy. There are so-called onshore systems that are built in the surf area and in which a turbine or the like is driven by the incoming into the building shaft.
Bei anderen Wellenenergieanlagen werden Schwimmkörper kettenförmig zusammengefügt und die Relativverschiebung der einzelnen Schwimmkörper zueinander während der Wellenbewegung ausgenutzt, um über eine Hydromaschine einen Generator anzutreiben. In other wave power plants floats are assembled in a chain and exploited the relative displacement of the individual floats to each other during the wave motion to drive a generator via a hydraulic machine.
Bei weiteren Lösungen sind Schwimmkörper am Boden verankert und werden durch die Wellenbewegung bewegt, wobei die Bewegungsenergie dann beispielsweise durch Hydromaschinen in elektrische Energie umgewandelt wird. In other solutions floating bodies are anchored to the ground and are moved by the wave motion, the kinetic energy is then converted, for example by hydraulic machines into electrical energy.
Derzeit stark umstritten sind sogenannte Pumpspeicherkraftwerke, bei denen Wasser in hochgelegene Speicherseen gepumpt wird, wobei die gespeicherte potenzielle Energie zur Zeiten hohen Energiebedarfs genutzt wird, um Turbinen/Generatoren zur Erzeugung von elektrischem Strom anzutreiben. Derartige Pumpspeicherkraftwerke lassen sich besonders einfach im Gebirge realisieren, wobei in dichtbesiedelten Gebieten der Widerstand in der Bevölkerung aufgrund der Eingriffe in die Natur erheblich ist. So-called pumped-storage power plants, where water is pumped into high-altitude reservoirs, using the stored potential energy at times of high energy demand to power turbines / generators to generate electric power are currently highly controversial. Such pumped storage power plants are particularly easy to implement in the mountains, which in densely populated areas, the resistance in the population is considerable due to the interference with nature.
Ebenfalls bekannt sind Kraftwerke, bei denen der Tidenhub ausgenutzt wird. Weitere interessante Konzepte sind Gradientenkraftwerke und Gletscherkraftwerke. Also known are power plants in which the Tidenhub is exploited. Other interesting concepts are gradient power plants and glacier power plants.
Der Nachteil all dieser Lösungen ist, dass diese Kraftwerkskonzepte sich entweder noch im Entwicklungsstadium befinden und insbesondere bei extremen Wetterbedingungen störungsanfällig sind oder aber zur Realisierung ein erheblicher Aufwand mit hohen Baukosten einhergeht. Ein weiterer Nachteil vieler Konzepte besteht darin, dass schwerwiegende Eingriffe in die Natur erforderlich sind, die von der Bevölkerung nicht toleriert werden, so dass neben den zuvor geschilderten betriebswirtschaftlichen auch politische Probleme entstehen. The disadvantage of all these solutions is that these power plant concepts are either still in the development stage and are prone to failure especially in extreme weather conditions or for the realization of a considerable effort associated with high construction costs. Another disadvantage of many concepts is that they require serious interference with nature, which is not tolerated by the population, so that political problems arise in addition to the previously described business management.
In der
Eine ähnliche Lösung ist in der
Die
Ähnliche Schwimmkraftwerke sind auch in den Druckschriften
Alle diese Lösungen sind zwar relativ flexibel mit vergleichsweise geringen Investitionen einsetzbar – der Wirkungsgrad ist jedoch aufgrund der schlechten Anströmung zu gering, um einen kostendeckenden Betrieb zu gewährleisten und somit für Investoren interessant zu werden. Although all of these solutions are relatively flexible with relatively little investment can be used - the efficiency is too low due to the poor flow to ensure cost-covering operation and thus to be of interest to investors.
In der
Das Schwimmkraftwerk hat zumindest zwei zueinander beabstandete Rümpfe, zwischen denen eine Wasserturbine (Wasserrad) angeordnet ist, die von dem zwischen den Rümpfen durchströmenden Fluid, vorzugsweise Wasser, angetrieben ist. Das Schwimmkraftwerk hat einen Generator, der über die Wasserturbine angetrieben werden kann. Die Rümpfe sind als Diffusor ausgebildet, wobei der durch die Rümpfe begrenzte Strömungspfad in einem etwa mittigen Bereich eingeschnürt ist und sich in Abströmrichtung diffusorartig erweitert. Es zeigte sich, dass die Anströmung der Turbine bei Verwendung einer derartigen diffusorartigen Konstruktion erheblich vergleichmäßigt und verbessert wird, so dass Wirkungsgrad des Schwimmkraftwerks gegenüber herkömmlichen Lösungen deutlich erhöht ist. Unter dem Begriff „Turbine“ soll jedwede Einrichtung verstanden werden, die durch die Strömungskraft des Fluids angetrieben wird und über die dann ihrerseits ein Generator zur Stromerzeugung antreibbar ist. The floating power plant has at least two mutually spaced hulls, between which a water turbine (water wheel) is arranged, which is driven by the fluid flowing through between the hulls, preferably water. The floating power plant has a generator that can be powered by the water turbine. The hulls are designed as a diffuser, wherein the flow path delimited by the hulls is constricted in an approximately central region and widens in a diffuser-like manner in the outflow direction. It has been found that the flow of the turbine using such a diffuser-like construction is significantly made uniform and improved, so that the efficiency of the floating power plant compared to conventional solutions is significantly increased. The term "turbine" should be understood to mean any device which is driven by the flow force of the fluid and over which in turn a generator for power generation can be driven.
Ein Problem bei allen Kraftwerken, die erneuerbare Energien nutzen liegt darin, dass diese auch zu Zeiten, in denen der Energiebedarf relativ gering ist, beispielsweise nachts Energie produzieren, so dass dann ein Überschuss vorhanden ist. One problem with all power plants that use renewable energy is that even at times when energy demand is relatively low, they produce energy at night, for example, so that there is a surplus.
In der nachveröffentlichten
Hinsichtlich weiterer Details wird auf die Offenbarung der vorstehenden Patentanmeldung verwiesen, die zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung zu zählen ist. For further details, reference is made to the disclosure of the above patent application, which is to be included in the subject of the present application.
Derartige Gasdruckspeicher sind nur dann wirtschaftlich einsetzbar, wenn genügend Druckmedium gespeichert werden kann, um hinreichend Energie über einen längeren Zeitraum zur Verfügung stellen zu können. So ist beispielsweise zur Bereitstellung einer Leistung von etwa 100 Megawatt über einen Zeitrum von acht Stunden ein Luftspeichervolumen von grob gerechnet 160.000 m³ bei einem Speicherdruck von 80 bar erforderlich. Derart große Druckbehälter benötigen einen erheblichen Bauraum, so dass die Integration in die Natur oder in vorhandene Industriebauten nur schwierig möglich ist oder aber seitens der Bevölkerung nicht akzeptiert wird. Such gas pressure accumulators can only be used economically if sufficient pressure medium can be stored in order to be able to provide sufficient energy over a longer period of time. For example, to provide a power of about 100 megawatts over a period of eight hours, an air storage volume of roughly 160,000 cubic meters at a storage pressure of 80 bar is required. Such large pressure vessels require considerable space, so that the integration into nature or in existing industrial buildings is difficult or not accepted by the population.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine einfache Art der Speicherung der Druckluft beziehungsweise des unter Druck gesetzten Mediums zu schaffen, die möglichst wenig Eingriffe in die Natur erfordert. In contrast, the invention has for its object to provide a simple way of storing the compressed air or the pressurized medium, which requires as little intervention in nature.
Diese Aufgabe wird durch eine Druckspeicheranordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. This object is achieved by a pressure accumulator arrangement having the features of
Erfindungsgemäß werden ohnehin vorhandene oder erforderliche Bauwerke genutzt, die ein Gewässer begrenzen und dabei auch als Hochwasserschutz dienen. Diese Bauwerke sind vorzugsweise Deiche oder Dämme, die im Hinblick auf ihren konstruktiven Aufbau auch hohen Belastungen standhalten. Die Erfindung besteht nun darin, in diese ohnehin vorhandenen Dämme einen Druckspeicher zu integrieren, so dass keine zusätzlichen Bauten erforderlich sind.According to the invention existing or required structures are anyway used to limit a body of water and also serve as flood protection. These structures are preferably dikes or dams that withstand high loads in terms of their structural design. The invention now consists in integrating a pressure accumulator in these already existing dams, so that no additional buildings are required.
Dieser Gasdruckspeicher hat vorzugsweise einen rohrförmigen Druckbehälter. This gas pressure accumulator preferably has a tubular pressure vessel.
Die im Druckspeicher gespeicherte Luft kann genutzt werden, um eine Luft-/Gasturbine anzutreiben, die ihrerseits einen Generator antreibt, mit dem elektrische Verbraucher angetrieben werden oder aber über den elektrische Energie ins Netz eingespeist werden kann. The stored in the pressure accumulator air can be used to drive an air / gas turbine, which in turn drives a generator, are driven by the electrical load or can be fed via the electrical energy into the network.
Zur Erhöhung der Stabilität des Bauwerks kann dieses mit Beton, vorzugsweise Stahlbeton, bewehrt sein. To increase the stability of the structure this can be reinforced with concrete, preferably reinforced concrete.
Der Druckbehälter kann einen trapezförmigen oder rohrförmigen Querschnitt aufweisen. The pressure vessel may have a trapezoidal or tubular cross-section.
Da bei der Verdichtung des im Druckbehälter gespeicherten Mediums eine starke Erwärmung stattfindet, kann diese Wärme bei einem Ausführungsbeispiel genutzt werden, um über einen Wärmetauscher ein Medium zu verdampfen und mit dem entsprechenden Dampf einen Motor, beispielsweise einen Drehkolbenmotor anzutreiben. Dieser Sekundärkreislauf kann als geschlossener Kreislauf ausgeführt sein, wobei beispielsweise Methanol als zu verdampfendes Medium verwendet wird. Bei einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, der Gasdruckspeicheranordnung einen supraleitenden Energiespeicher/Generator zuzuordnen, wobei die Energie mittels einer supraleitenden Spule gespeichert wird. Diese ist mittels eines Kryostaten unter die sogenannte Sprungtemperatur des Supraleiters gekühlt, wobei zur Kühlung auf die Expansionskälte beim Entspannen des im Druckbehälter gespeicherten Mediums genutzt werden kann. Since during the compression of the medium stored in the pressure vessel, a strong warming takes place, this heat can be used in one embodiment to vaporize a medium via a heat exchanger and to drive a motor, such as a rotary engine with the appropriate steam. This secondary circuit can be designed as a closed circuit, for example, methanol is used as a medium to be evaporated. In one embodiment, it is provided to associate the gas pressure accumulator arrangement with a superconducting energy accumulator / generator, the energy being stored by means of a superconducting coil. This is cooled by means of a cryostat below the so-called transition temperature of the superconductor, wherein for cooling on the expansion cold at Relaxation of the medium stored in the pressure vessel can be used.
Bei einer weiteren Variante der Erfindung ist der Druckbehälter isoliert, so dass die beim Verdichten des Mediums erzeugte Verdichtungswärme nicht verloren geht und zur Energieerzeugung genutzt werden kann. Diese Isolierung kann beispielsweise durch eine Vakuumisolierung erfolgen. In a further variant of the invention, the pressure vessel is insulated, so that the heat of compression generated during compression of the medium is not lost and can be used to generate energy. This isolation can be done for example by a vacuum insulation.
Bei einer Variante der Erfindung ist die Gasdruckspeicheranordnung zusätzlich noch mit einem thermischen Speicher, vorzugsweise einem Feststoff- oder Salzspeicher ausgeführt, in dem die thermische Energie des verdichteten Gases gespeichert werden kann, um bei Entladung der Gasdruckspeicheranordnung Wärme an das zu expandierende Gas abgeben zu können.In a variant of the invention, the gas pressure storage arrangement is additionally designed with a thermal storage, preferably a solid or salt storage in which the thermal energy of the compressed gas can be stored in order to be able to deliver heat to the gas to be expanded upon discharge of the gas pressure storage arrangement.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Preferred embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to schematic drawings. Show it:
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der
Die Wandung des Gasdruckspeichers kann vergleichsweise „schwach“ ausgelegt werden, da der diese umgebende Damm dem Druckbehälter eine hinreichende Druckstabilität verleiht. The wall of the gas pressure accumulator can be designed comparatively "weak", since the surrounding dam gives the pressure vessel a sufficient pressure stability.
Eine derartige Konstruktion schwächt den Damm in keiner Weise, so dass seine Schutzeigenschaften nicht verringert sind. Das Erstellen gesonderter Bauwerke oder Anlagen für die Gasdruckspeicher ist nicht erforderlich. Such a construction does not weaken the dam in any way, so that its protective properties are not diminished. The creation of separate structures or facilities for the gas pressure accumulator is not required.
In der Darstellung gemäß
Die Zwischenspeicherung der Energie ist besonders einfach, wenn derartige Dämme
Bei der Verdichtung des Mediums, hier vorzugsweise Luft, in dem beschriebenen Druckbereich (beispielsweise ca. 80 bar) erhitzt sich die Luft aufgrund der freiwerdenden Verdichtungswärme ganz erheblich, wobei Temperaturen bis zu 1.000 °C erreicht werden können. Diese Energie kann bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung genutzt werden, um über einen Wärmetauscher einen Wärmeträger zu verdampfen und durch den dabei entstehenden Dampf, vorzugsweise Nassdampf, einen Motor oder eine Turbine anzutreiben. Besonders vorteilhaft kann dabei ein Drehkolbenmotor, beispielsweise ein Wankelmotor, eingesetzt werden. Derartige Kraft-Wärme-Kopplungen sind bekannt, so dass weitere Ausführungen entbehrlich sind. Der Wärmeträger, beispielsweise Methanol, kann in einem geschlossenen Kreislauf geführt sein. During the compression of the medium, here preferably air, in the pressure range described (for example, about 80 bar), the air heats up considerably due to the released heat of compression, whereby temperatures up to 1000 ° C can be achieved. This energy can be used in one embodiment of the invention to vaporize a heat transfer medium via a heat exchanger and to drive a motor or a turbine by the resulting steam, preferably wet steam. In this case, a rotary piston engine, for example a Wankel engine, can be used particularly advantageously. Such power-heat couplings are known, so that further embodiments are dispensable. The heat transfer medium, for example methanol, can be guided in a closed circuit.
Prinzipiell kann der Gasdruckspeicheranordnung auch ein supraleitender Energiespeicher/Generator der eingangs beschriebenen Art zugeordnet sein. In principle, the gas pressure accumulator arrangement may also be assigned a superconducting energy store / generator of the type described above.
Die
Prinzipiell wird es bevorzugt, wenn die Nutzung der erfindungsgemäßen Gasdruckspeicheranordnung zentral über eine Netzbetreiberzentrale gesteuert wird, so dass in Zeiten mit hohem Energiebedarf gespeicherte Druckenergie und thermische Energie zur Erzeugung von Strom genutzt wird. In principle, it is preferred if the use of the gas pressure storage arrangement according to the invention is controlled centrally via a network operator center, so that in times of high energy consumption stored pressure energy and thermal energy is used to generate electricity.
Die Isolierung
In
In Zuströmrichtung vorne liegend kann der Druckspeicher
In Zuströmrichtung stromabwärts des Feststoffspeichers
Der je nach Betriebsbedingung zu- oder abströmende Gasstrom wird über die Steuerelemente der Umschaltkammer
Die vorstehend beschriebenen Zusatzeinrichtungen zur Steuerung und Nutzung der Energie, wie beispielsweise der Wärmetauscher mit dem Wärmeträgerkreislauf und/oder der Supraleiterenergiespeicher/-generator können zentral angeordnet sein. Prinzipiell ist es auch möglich, mehrere derartiger Zusatzeinrichtungen entlang der Länge des Damms verteilt anzuordnen, um die Energie dezentral umzuwandeln. The additional devices described above for controlling and using the energy, such as, for example, the heat exchanger with the heat carrier circuit and / or the superconducting energy storage / generator can be arranged centrally. In principle, it is also possible to arrange a plurality of such additional devices distributed along the length of the dam in order to convert the energy decentrally.
Der bevorzugte Arbeitsbereich der erfindungsgemäßen Gasdruckspeicheranordnung liegt zwischen 40 und 80 bar. The preferred operating range of the gas pressure accumulator arrangement according to the invention is between 40 and 80 bar.
Die Gasdruckspeicheranordnungen können besonders vorteilhaft Windenergieparks zugeordnet werden, die im Küstenbereich angeordnet sind, so dass die ohnehin vorhandenen Dämme/Deiche die Druckbehälter aufnehmen. The gas pressure accumulator arrangements can be associated with particularly advantageous wind energy parks, which are arranged in the coastal area, so that the already existing dams / dikes accommodate the pressure vessels.
Zur Erzeugung des Stroms können an sich bekannte Druckluftturbinen verwendet werden, wobei diese zusätzlich mit Gasunterstützung betrieben werden können. To generate the current known per se compressed air turbines can be used, which can be operated in addition with gas support.
Offenbart ist eine Gasdruckspeicheranordnung, bei dem ein Gasdruckspeicher in ein ein Gewässer begrenzendes Bauwerk, beispielsweise einen Damm oder einen Deich, integriert ist. Disclosed is a gas pressure accumulator arrangement in which a gas pressure accumulator is integrated into a body of water-limiting structure, for example a dam or a dyke.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1, 1’1, 1 '
- Damm dam
- 22
- Gewässer waters
- 44
- Druckbehälter pressure vessel
- 66
- Begrünung greening
- 88th
- Isolierung insulation
- 1010
- Wehr weir
- 1212
- Niedrigeres Gewässerniveau Lower water level
- 14 14
- Feststoffspeicher Solid storage
- 1616
- Rohrleitung pipeline
- 1818
- Umschaltkammer switching chamber
- 2020
- Wärmetauscher heat exchangers
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- DE 102011052667 A1 [0016] DE 102011052667 A1 [0016]
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-
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee | ||
R082 | Change of representative |
Representative=s name: WINTER, BRANDL, FUERNISS, HUEBNER, ROESS, KAIS, DE |