DE102015002654B4 - Verfahren und Vorrichtuung zur Speicherung eines Energieträgermediums - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Speicherung eines Energieträgermediums (110), insbesondere eines Energieträgermediums (110) in flüssigem Aggregatzustand, umfassend die Schritte: Vorsehen des mindestens einen inkompressiblen Energieträgermediums (110) in einem Speicherbecken (4), Vorsehen mindestens eines mit einem inkompressiblen zweiten Medium (150) gefüllten Speicherbehälters (120), wobei der Speicherbehälter (120) tiefer als das Speicherbecken (4) angeordnet ist und das zweite Medium (150) eine höhere Dichte als das Energieträgermedium (110) aufweist, Bewegen des Energieträgermediums (110) in den Speicherbehälter (120), wobei das Energieträgermedium (110) aufliegend auf dem zweitem Medium (150) über dem zweiten Medium (150) in einer Kammer (7, 11) des Speicherbehälters (120) angeordnet wird, und wobei in und/oder an dem Speicherbehälter (120) eine Kraft (F) bereitgestellt wird, insbesondere beim Speichern permanent bereitgestellt wird, die auf das in den Speicherbehälter (120) bewegte Energieträgermedium (110) einwirkt, welche geeignet ist, das Energieträgermedium (110) aus dem Speicherbehälter (120) herauszubewegen, vorzugsweise in dessen Ausgangsposition (112), wobei eine Sperreinrichtung (140) vorgesehen wird, welche den Zufluss des Energieträgermediums (110) zu dem Speicherbehälter (120) und/oder aus dem Speicherbehälter (120) sperrt bzw. freigibt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Speicherung eines Energieträgermediums, insbesondere eines Energieträgermediums in flüssigem Aggregatzustand, gemäß dem Anspruch 1.
• Weiter betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Speicherung eines Energieträgermediums, insbesondere eines Energieträgermediums in flüssigem Aggregatzustand, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
• Es ist bekannt, dass zur Integration eines großen Anteils an Strom aus erneuerbaren Energien in das bestehende Stromnetz, ein erheblicher Bedarf an Stromspeichern besteht. Aus dem Stand der Technik sind allgemein Verfahren und Vorrichtungen zum Speichern von Energieträgern bekannt. Insbesondere sind Pumpspeicherkraftwerke bekannt, bei denen Wasser als Energieträger auf ein Höhenniveau mittels elektrischer Energie hinaufgepumpt wird und die dadurch vorliegende potentielle Energie des Wassers bei Bedarf später bei einem Herabbewegen des Wassers über Generatoren in elektrische Energie zurückgewandelt wird. Derartige Pumpspeicherkraftwerke sind hinsichtlich Gesamtwirkungsgrad, eingesetzter Technik und Investitionskosten ausgereift. Grundlage von Pumpspeicherkraftwerken sind ein Ober- und ein Unterbecken mit möglichst großem Höhenunterschied, welche über eine Druckleitung inklusive Pumpturbine miteinander verbunden sind. Durch die Veränderung der Lageenergie des Wassers wird Energie zwischengespeichert. Der Energieträger in diesem Fall ist Wasser. Die Atmosphäre bewirkt den Umgebungsdruck und das Gelände gibt die geodätische Höhe vor. Aufgrund des erforderlichen Höhenunterschiedes sind in Mitteleuropa die zur Verfügung stehenden Geländekapazitäten nur noch begrenzt verfügbar. Die umfangreichen Eingriffe in die Natur durch Bau großer Ober- und Unterbecken sorgen zusätzlich dafür, dass der Widerstand innerhalb der Bevölkerung gegen Neubauten von Pumpspeicherkraftwerken stark zunimmt. Aktuell stehen in Deutschland einige große Neubauvorhaben aufgrund des Widerstands der Bevölkerung auf dem Prüfstand. Ein weiterer Punkt ist die nicht mehr gewährleistete Wirtschaftlichkeit, ausgelöst durch eine Veränderung des Speicherbedarfs im Stromnetz, weg von der alten Betriebsweise der Pumpspeicherkraftwerke als Tagesspeicher, hin zu einer neuen Betriebsweise als Stunden- und Minutenspeicher. Dies führt zu häufigen Lastwechseln innerhalb eines Tages und einer flexiblen Betriebsweise. Gegenstand der aktuellen Forschung und Entwicklung im Speichersektor sind große Batteriespeicher, adiabate Druckluftspeicherkraftwerke, Power-to-Gas-Anlagen und weitere neue Speicheransätze.
• Nachteilig bei bisher realisierten Druckluftspeicherkraftwerken ist, dass durch die Kompression der Luft Wärmeverluste entstehen, weshalb neue adiabate Anlagen (AA-CAES genannt) mit großen Wärmespeichern ausgestattet werden sollen. Nachteilig bei Druckluftspeicherkraftwerken und Power-to-Gas-Anlagen sind außerdem die geringen erzielbaren Gesamtwirkungsgrade oder hohen Investitionskosten. Ein weiterer neuer Ansatz sind die sogenannten „Energy-Bags” als Druckluftspeicher auf dem Meeresboden von Prof. Seamus Garvey, die das umgebende Meerwasser für den Systemdruck nutzen und Druckluft zur Energiespeicherung verwenden. Auch hier treten systembedingt durch das kompressible Medium Luft, hohe Energieverluste bei der Umwandlung auf.
• Aus der DE 10 2010 010 701 A1 ist ein Energiespeichersystem bekannt, mit einem oberen Flüssigkeitsspeicher zum Aufnehmen einer Flüssigkeit und eines Fluides und einem unteren Flüssigkeitsspeicher zum Aufnehmen einer Flüssigkeit und eines Fluides. Dieses ist versehen mit mindestens einer Flüssigkeitsleitung, die den oberen Flüssigkeitsspeicher und den unteren Flüssigkeitsspeicher verbindet, und mit einer in der mindestens einen Flüssigkeitsleitung angeordneten Arbeitsmaschineneinheit zum Befördern der Flüssigkeit aus dem unteren Flüssigkeitsspeicher in den oberen Flüssigkeitsspeicher und einer in der mindestens einen Flüssigkeitsleitung angeordneten ersten Kraftmaschineneinheit, die von aus der oberen Flüssigkeitsspeicher durch die mindestens eine Flüssigkeitsleitung in den unteren Flüssigkeitsspeicher strömende Flüssigkeit antreibbar ist. Die mindestens eine Fluidleitung verbindet den oberen und den unteren Flüssigkeitsspeicher, wobei der obere und der untere Flüssigkeitsspeicher mit der mindestens einen Flüssigkeitsleitung und der mindestens einen Fluidleitung ein geschlossenes System bilden. Eine zweite Kraftmaschineneinheit ist in der mindestens einen Fluidleitung angeordnet, die von durch die mindestens eine Fluidleitung strömenden Fluid antreibbar ist. Das Grundprinzip entspricht einem konventionellen Pumpspeicherkraftwerk, jedoch befinden sich Ober- und Unterbecken unterirdisch.
• Aus der DE 10 2011 012 261 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Speicherung und Rückgewinnung elektrischer Energie unter Ausnutzung der Schwerkraft von Wasser, das in einem Tank auf dem Grund eines Gewässers gelagert wird, bekannt. Hydraulische oder pneumatische Vorrichtungen pumpen unter dem Einsatz elektrischer Energie das Wasser aus dem tief liegenden Tank in das umgebende Gewässer und erzeugen eine potentielle Energie, die bei dem Rückfluss des Wassers in den Tank in elektrische Energie zurück gewandelt wird. Das Verfahren wird analog zu den bekannten Pumpspeicher Kraftwerken zur Speicherung elektrischer Energie und zur Stabilisierung der Stromnetze eingesetzt.
• Aus der DE 20 2012 007 690 U1 ist eine Vorrichtung zur Speicherung von Druckluft in Druckluftbehälter bekannt, welche sich in den offenen und geschlossenen Gründungsstrukturen, Schwimm- und Tauchkörpern, einer Offshore-Windkraftanlage befinden, wobei ein Kompressor die erzeugte Druckluft mittels eines Rohrleitungssystems im inneren des Turms nach unten in die Schwimm- und Tauchplattformen oder Schwimmkörpern führt, dort in die/den dafür vorgesehene/n Druckluftbehälter speist und die gespeicherte Druckluft über eine Niederdruckturbine, an die ein Generator angeschlossen ist, in Form von elektrischer Energie ins Stromnetz einspeist.
• Aus der US 3,939,356 ist ein Hydro-Luft-Speichersystem zur Erzeugung von Strom bekannt, in dem ein unterirdisches Reservoir mit Wasser unter Druck gesetzt ist und das Wasser auf ein Oberflächen-Reservoir gepumpt wird, während Zeitperioden, wenn Stromüberschuss herrscht und in dem Wasser von dem Oberflächen-Reservoir in die unterirdische Reservoirs fließt und Druckluft aus dem unterirdischen Reservoir freigesetzt wird, wobei Beides genutzt wird um Strom zu Zeiten zu erzeugen, wenn der Strombedarf hoch ist.
• Aus der WO 93/06367 ist ein System zur unterirdischen Energiespeicherung bekannt, umfassend zwei Kavernen, die in einer Untergrundsalzbildung gebildet sind, wobei die beide Kavernen teilweise mit einer Salzlösung und einem Gasvorrat gefüllt sind, zum Unterdrucksetzen eines Kopfraumes in jeder Kaverne, einen ersten Kanal, der die mit Flüssigkeit gefüllten Abschnitte der Kavernen verbindet, eine Pump/Generatoranlage mit Kühler an der Bodenfläche, verbunden zwischen den zwei Armen und aus dem ersten Kanal, ein zweiter Kanal und ein dritter Kanal, welche die erste Kaverne und die zweite Kaverne mit der Komprimier- bzw. Generatoranlage verbinden, welche wiederum mit Gasspeichersystemen verbunden ist. Das Grundprinzip entspricht einem konventionellen Pumpspeicherkraftwerk, jedoch befinden sich Ober- und Unterbecken in einem Salzstock.
• Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, bei welchem die grundlegende Idee der Pumpspeicherkraftwerke verbessert wird.
• Diese und weitere Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 6.
• Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben oder werden nachstehend im Zusammenhang mit der Beschreibung der Figuren angegeben.
• Vorsehen mindestens eines Speicherbehälters, Bewegen des Energieträgermediums in den Speicherbehälter, wobei in und/oder an dem Speicherbehälter eine Kraft bereitgestellt wird, insbesondere beim Speichern permanent bereitgestellt wird, die auf das in den Speicherbehälter bewegte Energieträgermedium einwirkt, welche geeignet ist, das Energieträgermedium aus dem Speicherbehälter herauszubewegen, vorzugsweise in dessen Ausgangsposition, wobei eine Sperreinrichtung vorgesehen wird, welche den Zufluss des Energieträgermediums zu dem Speicherbehälter und/oder aus dem Speicherbehälter sperrt bzw. freigibt. Das Energieträgermedium wird zum Speichern gegen die Kraft bewegt. Die Kraft liegt als System- oder Umgebungsdruck vor. Dabei liegt die Kraft permanent an. Vorzugsweise wird die Kraft durch ein zweites Medium bereitgestellt. Vorzugsweise ist das erste Medium ein quasi inkompressibles Medium oder im Wesentlichen inkompressibles Medium wie eine Flüssigkeit.
• Dabei ist der Speicherbehälter, der fluidisch mit dem Speicherbecken verbunden ist, tiefer als das Speicherbecken angeordnet. Das Energieträgermedium weist eine geringere Dichte als das zweite Medium aufweist, zumindest bei geschlossener Sperreinrichtung, sodass das zweite Medium eine Umgebungskraft, insbesondere einen Umgebungsdruck, für den Speicherbehälter und/oder das Energieträgermedium bereitstellt. Der Speicherbehälter ist so eingerichtet, dass das leichtere Energieträgermedium auf dem schweren zweiten Medium aufliegt bzw. über diesem entgegen beispielsweise einer Schwererichtung angeordnet ist.
• Gemäß, einem Standardwerk der technischen Fluidmechanik, wird eine Flüssigkeit folgendermaßen definiert: „Flüssigkeiten sind nur wenig zusammendrückbar und werden deshalb meist als quasi inkompressibel bezeichnet, kurz als inkompressibel, was bei kleineren Drücken (<≈ 500 bar) genügend genau ist. In der Fluidmechanik wird unterschieden zwischen
• 1. inkompressiblen Fluiden, die massebeständig und annähernd volumenbeständig sind – den Flüssigkeiten – sowie
• 2. kompressiblen Fluiden, die massebeständig, jedoch nicht volumenbeständig sind: Gas und Dämpfe”
• Im Sinne der vorliegenden Erfindung kommen inkompressible Fluide und quasi inkompressible Fluide zum Einsatz, gemäß vorstehender Definition. Von dem Begriff inkompressible Fluide sind auch quasi inkompressible Fluide umfasst.
• Inkompressible Medien sind zum Beispiel Fluide, die ihre Dichte entlang einer Trajektorie bei Druckänderung und konstanter Temperatur näherungsweise nicht ändern. Dies bedeutet umgekehrt, dass Medien oder Fluide, deren Dichte sich beispielsweise durch thermische Einflüsse ändert, inkompressibel sein können. Da diese Effekte in der Praxis meist erheblich kleiner sind als Dichteänderungen auf Grund von Druckänderungen, wird ein Fluid als inkompressibel angesehen, wenn die Dichte entlang jeder Trajektorie konstant ist. Konstante Dichte insgesamt ist jedoch kein Kriterium für Inkompressibilität. Wie vorstehend anhand ausgeführt, stellen quasi inkompressible Fluide eine Idealisierung dar, die viele Berechnungen bei vernachlässigbarem Fehler enorm vereinfacht, z. B. Wasser in Wasserleitungen unter Normalbedingungen. Gemäß vorstehender Definition „muss erst bei höheren Drücken (ab ca. 500 bar) die Kompressibilität bei Flüssigkeiten berücksichtigt und damit von der ungefähr inkompressiblen Betrachtungsweise abgerückt werden, z. B. bei Hydraulik-Hochdruckanlagen” Insofern werden unter inkompressiblen Medien im Sinne der vorliegenden Erfindung auch Medien/Fluide verstanden, deren Kompressionsmodulbei Normalbedingungen, im Bereich von über 1,0 × 10⁸ Pa liegt. Hierzu zählen unter anderem Leichtbenzin, Benzol, Benzin, Ethanol, Methanol, Diesel, Biodiesel und Pflanzenöle.
• In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass zur Bereitstellung der Kraft ein zweites Medium, insbesondere ein flüssiges Medium vorgesehen wird, welches eine Umgebungskraft, insbesondere einen Umgebungsdruck, für den Speicherbehälter und/oder das Energieträgermedium bereitstellt, zumindest bei geschlossener Sperreinrichtung.
• In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das zweite Medium den Speicherbehälter und/oder das Energieträgermedium kontaktiert und so den Umgebungsdruck direkt und/oder über mindestens eine unter dem Umgebungsdruck nachgiebige Wandung des Speicherbehälters auf das Energieträgermedium ausübt.
• Noch eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass bei anliegendem Umgebungsdrucks bei einem Öffnen der Sperreinrichtung das Energieträgermedium aus dem Speicherbehälter ausströmt und bei Sperren der Sperreinrichtung das Energieträgermedium in dem Speicher verbleibt.
• In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Energiegewinnungsvorrichtung vorgesehen wird, welche Energie des aus dem Speicherbehälter ausströmenden Energieträgermediums wandelt und/oder nutzt.
• Die Erfindung schließt auch die technische Lehre ein, dass bei einer Vorrichtung zur Speicherung eines Energieträgermediums, insbesondere eines Energieträgermediums in flüssigem Aggregatzustand, vorgesehen ist, dass Mittel zur Durchführung eines Verfahrens gemäß vorstehender Beschreibung umfasst sind und insbesondere umfassen: das Energieträgermedium, mindestens einen Speicherbehälter, mindestens eine Bewegungseinrichtung zum Bewegen des Energieträgermediums in den mindestens einen Speicherbehälter, wobei in und/oder an dem mindestens einen Speicherbehälter eine Kraft bereitgestellt ist, insbesondere beim Speichern permanent bereitgestellt ist, die auf das in den Speicherbehälter bewegte Energieträgermedium einwirkt, welche geeignet ist, das Energieträgermedium aus dem Speicherbehälter herauszubewegen, vorzugsweise in dessen Ausgangsposition, wobei eine Sperreinrichtung vorgesehen ist, mit welchem der Zufluss des Energieträgermediums zu dem Speicherbehälter und/oder aus dem Speicherbehälter sperrbar bzw. freigebbar ist.
• Dabei ist der Speicherbehälter der fluidisch mit dem Speicherbecken verbunden ist, tiefer als das Speicherbecken angeordnet. Das Energieträgermedium weist eine geringere Dichte als das zweite Medium aufweist, zumindest bei geschlossener Sperreinrichtung, sodass das zweite Medium eine Umgebungskraft, insbesondere einen Umgebungsdruck, für den Speicherbehälter und/oder das Energieträgermedium bereitstellt. Der Speicherbehälter ist so eingerichtet, dass das leichtere Energieträgermedium auf dem schweren zweiten Medium aufliegt bzw. über diesem entgegen beispielsweise einer Schwererichtung angeordnet ist.
• In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Energieträgermedium und das zweite Medium den gleichen Aggregatzustand aufweisen, insbesondere beide Medien in einem flüssigen Aggregatzustand beim Speichern des Energieträgermediums aufweisen.
• Noch eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass das zweite Medium den Speicherbehälter und/oder das Energieträgermedium kontaktiert und so den Umgebungsdruck direkt und/oder über mindestens eine unter dem Umgebungsdruck nachgiebige Wandung des Speicherbehälters auf das Energieträgermedium ausübt.
• In noch einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Energiegewinnungsvorrichtung vorgesehen ist, welche Energie des aus dem Speicherbehälter ausströmenden Energieträgermediums wandelt und/oder nutzt.
• In einer Ausführungsform weist das Energieträgermedium einen flüssigen Aggregatzustand auf. In einer anderen Ausführungsform weist das Energieträgermedium einen anderen Aggregatzustand auf. Vorzugsweise weist das Energieträgermedium einen flüssigen Aggregatzustand mit einer spezifischen Dichte auf. Die spezifische Dichte des Energieträgermediums liegt bevorzugt in einem Bereich von 0,6 kg/l bis 0,99 kg/l. In einer Ausführungsform ist das Energieträgermedium ausgewählt aus der Gruppe der Kohlenwasserstoffe bei flüssigen Energieträgermedien umfassend Gasolin/Leichtbenzin (von 0,655 kg/l bis 0,7 kg/l), Benzin (0,720–0,775 kg/l), Ethanol (0,789 kg/l), Methanol (0,790 kg/l), Kerosin (0,750–0,845 kg/l), Petroleum (0,800 kg/l), Diesel (0,830 kg/l), Biodiesel (0,880 kg/l), Benzol (0,879 kg/l), Olivenöl (0,910–0,920 kg/l), Rapsöl (0,920 kg/l), Sonnenblumenöl (0,93 kg/l), sowie weitere Pflanzenöle.
• Vorzugsweise ist ein Energieträgermedium vorgesehen. In einer anderen Ausführungsform sind mehrere unterschiedliche Energieträgermedien vorgesehen. Das Vorsehen des jeweiligen Energieträgermediums erfolgt vorzugsweise in einem entsprechenden Behälter. Der Behälter ist über mindestens eine Druckleitung mit dem Speicherbehälter verbunden, sodass das Energieträgermedium von dem Behälter zu dem Speicherbehälter und umgekehrt strömen bzw. fließen kann. Das Vorsehen eines Speicherbehälters erfolgt bevorzugt beabstandet zu dem Behälter bzw. zu dem Energieträgermedium in einer Ausgangsposition. Dabei definiert der Speicherbehälter eine Speicherposition des Energieträgermediums. Entsprechend sind die Ausgangsposition und die Speicherposition beabstandet zueinander ausgeführt. Insbesondere ist die Ausgangsposition auf einem anderen Höhenniveau eines Schwere- oder Kraftfelds als die Speicherposition. Die Anordnung der beiden Positionen erfolgt dabei so, dass zum Bewegen des Energieträgermediums von der Ausgangsposition in die Speicherposition Energie zugeführt werden muss. In einem Schwerefeld oder Gravitationsfeld ist somit die Speicherposition „tiefer” in Schwererichtung gelegen, als die Ausgangsposition. Das Bewegen des Energieträgermediums von der Ausgangsposition in den Speicherbehälter erfolgt über eine geeignete Bewegungseinrichtung. Die Bewegungseinrichtung führt dem Energieträgermedium Energie zu, welche dieses dann bei Bewegung aus dem Speicherbehälter abrufen kann bzw. aus dem Energieträgermedium herausgezogen werden kann. Vorzugsweise ist die Bewegungseinrichtung ein geeigneter Aktuator wie eine Pumpturbine oder eine Pumpe mit getrennter Turbine oder dergleichen, mit einem nachgeschalteten Wärmetauscher zur Wärmeübertragung. Das Bewegen mittels der Bewegungseinrichtung erfolgt vorzugsweise geführt, beispielsweise über eine Leitung oder mehrere Leitungen, beispielsweise eine Druckleitung. Mittels der Bewegungseinrichtung wird das Energieträgermedium in den Speicherbehälter unter Energiezufuhr bewegt. In dem Speicherbehälter wirkt ein Kraft oder ein Druck auf das Energieträgermedium ein. Dabei kann die Kraft auf verschiedenste Weisen auf das Energieträgermedium einwirken, beispielsweise durch direkten Kontakt oder indirekt beispielsweise über einen Druck durch die Wandungen des Speicherbehälters. Vorzugsweise wird die Kraft mittels eines Umgebungsdrucks auf das Energieträgermedium bewirkt. Der Umgebungsdruck bzw. die Kraft wird vorzugsweise durch ein zweites Medium, insbesondere durch ein zweites flüssiges Medium bewirkt. Das zweite Medium ist bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe der flüssigen Fluide umfassend Wasser, Glykol, Glycerin, gesättigte oder ungesättigte Salzlösung und gesättigte oder ungesättigte Zuckerlösung. Dabei weist das zweite Medium eine höhere Dichte auf, als das Energieträgermedium. Vorzugsweise sind die beiden Medien derart ausgewählt, dass diese sich nicht miteinander vermischen. Mögliche Medienpaarungen sind:
  
  Leichtbenzin und Glycerin
  Leichtbenzin und Salzlösung
  Leichtbenzin und Zuckerlösung
  Leichtbenzin und Wasser
  
  Benzin und Glycerin
  Benzin und Salzlösung
  Benzin und Zuckerlösung
  Benzin und Wasser
  
  Diesel und Glycerin
  Diesel und Salzlösung
  Diesel und Zuckerlösung
  Diesel und Wasser
  
  Biodiesel und Glycerin
  Biodiesel und Salzlösung
  Biodiesel und Zuckerlösung
  Biodiesel und Wasser
• In einer anderen Ausführungsform sind die Medien miteinander mischbar. Für diese Ausführungsform wird eine Trenneinheit, beispielsweise eine Trennschicht wie eine Membran zwischen den Medien vorgesehen, welche ein Vermischen verhindert. Auf diese Weise ist eine indirekte Krafteinwirkung auf das Energieträgermedium bereitgestellt. Eine andere indirekte Krafteinwirkung kann durch zumindest teilweise nachgiebige Speicherbehälterwandungen erfolgen. Das leichtere Energieträgermedium liegt auf dem schweren zweiten Medium auf bzw. ist über diesem entgegen beispielsweise einer Schwererichtung angeordnet. Damit das leichtere und somit flüchtigere Energieträgermedium nicht ungewollt aus dem Speicherbehälter entweicht, ist eine Sperreinrichtung vorgesehen. Die Sperreinrichtung ist beliebig ausbildbar und kann ein Ventil, eine Tür, eine Klappe, oder ein beliebig anderes Durchgangsregelungselement sein. In einer Ausführungsform sind mehrere Sperreinrichtung, vorzugsweise gleiche, in anderen Ausführungsformen aber auch unterschiedliche Sperreinrichtungen vorgesehen, beispielsweise aus Sicherheitsgründen. Die Sperreinrichtung hält das Energieträgermedium gegen ein ungewolltes Entweichen aufgrund der durch das zweite Medium oder andere Einrichtungen ausgeübten Kraft auf das Energieträgermedium in dem Speicherbehälter zurück. Bei Bedarf kann die Sperreinrichtung geöffnet werden, beispielsweise um das Energieträgermedium in den Speicherbehälter einzufüllen und/oder um das Energieträgermedium aus dem Speicherbehälter ausströmen zu lassen. Es können für das Einströmen und Ausströmen unterschiedliche Leitungen mit entsprechenden Sperreinrichtungen vorgesehen werden. Der Speicherbehälter ist in einer Ausführungsform mit einer – vorzugsweise senkrechten – Trenneinrichtung zwischen Energieträgermedium und zweitem Medium ausgeführt. Die Trenneinrichtung ist beliebig ausbildbar und kann ein Schott, eine Wandung, eine Membran oder ein beliebig anderes Trennungs-Bauelement sein. Beim Ausströmen wird dem ausströmenden Energieträgermedium die zuvor zugeführte Energie entzogen. Hierzu ist eine Energiegewinnungsvorrichtung vorgesehen. Die Energiegewinnungsvorrichtung ist beliebig ausführbar und auf das jeweils gewählte Energieträgermedium abgestimmt. Beispielsweise umfasst die Energiegewinnungsvorrichtung einen Generator, eine Pumpturbine oder eine Turbine mit getrennter Pumpe, sowie einen nachgeschalteten Wärmetauscher zur Wärmeübertragung. Statt einem Energieträgermedium können auch mehrere Energieträgermedien, insbesondere unterschiedliche Energieträgermedien ist eine Energiegewinnungsvorrichtung vorgesehen. Die Energiegewinnungsvorrichtung ist beliebig ausführbar und auf das jeweils gewählte Energieträgermedium abgestimmt. Beispielsweise umfasst die Energiegewinnungsvorrichtung einen Generator, eine Pumpturbine oder eine Turbine mit getrennter Pumpe, sowie einen nachgeschalteten Wärmetauscher zur Wärmeübertragung. Statt einem Energieträgermedium können auch mehrere Energieträgermedien, insbesondere unterschiedliche Energieträgermedien verwendet werden. Vorzugsweise weisen die Energieträgermedien jeweils unterschiedliche Dichten und/oder Aggregatzustände auf. So lassen sich in dem Speicherbehälter mehrere Energieträgermedien schichtweise anordnen und speichern. Für jedes Speichermedium ist vorzugsweise eine entsprechende Zuleitung und/oder Ableitung vorgesehen. Falls erforderlich sind entsprechende Wandungen zwischen den Energieträgermedien vorgesehen. Die Wandungen sind vorzugsweise flexibel, nachgiebig und/oder verformbar, insbesondere reversibel verformbar ausgebildet. Auf diese Weise passen sich die Wandungen an einen Zufluss bzw. eine Entnahme des jeweiligen Trägermediums an.
• Vorzugsweise umfasst das Verfahren bzw. die Vorrichtung zwei Medien, die den gleichen Aggregatzustand aufweisen, insbesondere zwei flüssige Medien, die weiter bevorzugt als quasi inkompressible flüssige Medien ausgebildet sind. Das Energieträgermedium ist bevorzugt das leichtere der Medien und wird zuerst gegen einen Widerstand in eine Speicherposition gebracht. In der Speicherposition wirkt permanent eine Kraft auf das Energieträgermedium ein Die Kraft wird permanent von dem zumindest das Energiefluid teilweise umgebenden zweiten Medium bereitgestellt. Für die Bewegung des Energieträgermediums aus der Speicherposition heraus sind keine Aktuatoren erforderlich, mit Ausnahme eines Aktuators zum Öffnen der Sperreinrichtung. Der Generator bzw. die Energiegewinnungseinrichtung ist auf einem unterschiedlichen Höhenniveau zu dem Speicherbehälter angeordnet und befindet sich vorzugsweise an der Oberfläche. Somit sind alle beweglichen mechanischen Teile vorzugsweise an der Oberfläche angeordnet und leicht zu Revisionszwecken erreichbar.
• Bei dem Verfahren zur Speicherung eines Energieträgermediums, insbesondere eines Energieträgermediums in flüssigem Aggregatzustand, werden in einer Ausführungsform die folgenden Schritte durchgeführt: Vorsehen des Energieträgermediums auf einem ersten Höhenniveau, Vorsehen eines zweiten Mediums, insbesondere eines zweiten Mediums in einem flüssigen Aggregatzustand, Vorsehen eines Speicherbehälters zur Speicherung mindestens des ersten Energieträgermediums, wobei der Speicherbehälter auf einem zweiten Höhenniveau angeordnet ist, wobei das zweite Höhenniveau in einem Schwerefeld in Schwererichtung tiefer gelegen ist, als das erste Höheniveau, Bewegen des Energieträgermediums in den Speicherbehälter, wobei das zweite Medium so angeordnet wird, dass dieses eine Umgebung für das Energieträgermedium und/oder den Speicherbehälter bildet, welches einen Umgebungsdruck für das Energieträgermedium bildet, der derart auf das Energieträgermedium wirkt, dass das Energieträgermedium dazu neigt, sich aus dem Speicherbehälter herauszubewegen, wobei eine Sperreinrichtung vorgesehen ist, welche den Zufluss des Energieträgermediums zu dem Speicherbehälter und/oder aus dem Speicherbehälter sperrt bzw. freigibt. Das Energieträgermedium ist bevorzugt zumindest quasi inkompressibel und/oder weist eine geringere Dichte als das zweite Medium auf. Bevorzugt werden zwei Medien oder Fluide, insbesondere flüssige Medien/Fluide mit unterschiedlicher Dichte mittels einer Pumpturbine oder einer Pumpe und separater Turbine zur Speicherung elektrischer Energie in einem mit Fluid 2 gefüllten Schachtbauwerk (onshore-Ausführung) mit zwei Speicherbecken und Maschinengebäude an der Oberfläche, einer Druckleitung für das Energieträger-Fluid bzw. das Energieträgermedium und einer Kammer oder Kaverne mit entsprechendem Reservoir in der Tiefe gepumpt und in dem Reservoir gespeichert.
• Weiter vorzugsweise umfasst die Vorrichtung oder Anlage als offshore-Ausführung im Meer einen Schwimmkörper mit Speicherkammer inklusive einem Turbinen- und Technikteil an der Oberfläche und einem Reservoir in der Tiefe des Meeres mit Ballastkörpern oder Verankerung am Meeresgrund gegen das Auftreiben auf.
• Auch bevorzugt ist die Vorrichtung zur Speicherung von Strom und Wärme ausgebildet, je nach Energieträgermedium und Fluid 2. Die Vorrichtung nutz in einer Ausführungsform Oberflächengeothermie. Weiter ist die Vorrichtung bzw. das Verfahren geeignet zu Kühlzwecken, beispielsweise im Sommer. Außerdem bevorzugt wird Wärme unter 100°C aus einer externen Wärmequelle mit beiden Fluiden/Medien gespeichert und wieder an ein Nah- oder Fernwärmenetz, sowie sonstige Verbraucher abgegeben. Um Wärmeverluste zu minimieren müssen beide Fluide in geschlossenen, gedämmten Speicherbecken gelagert werden. Auch bevorzugt ist ein Blockheizkraftwerk (BHKW) zur direkten Erzeugung von Strom und Wärme vorgesehen, welches als Brennstoff das Energieträger-Fluid verwendet und durch das Nachfüllen eine Überalterung des Energieträger-Fluides vermeidet. Mit der BHKW-Wärme unter 100°C kann der gesamte Speicher erwärmt werden. Mit der BHKW-Wärme über 100°C kann entweder direkt Wasserdampf erzeugt werden und/oder mit einer Dampfturbine zusätzlich verstromt werden oder im Energieträger-Fluid und/oder dem Fluid 2, abhängig von den jeweiligen Siedetemperaturen, gespeichert werden. Wärme über 100°C aus einer externen Wärmequelle, dem Stromnetz (Power-to-Heat) oder dem Blockheizkraftwerk kann mit dem Energieträger-Fluid und/oder dem Fluid 2, abhängig von den jeweiligen Siedetemperaturen, gespeichert und später zur Stromerzeugung mittels einer Dampfturbine verwendet werden. Wird die Wärme nur im Energieträgerfluid gespeichert, muss vermieden werden, dass Fluid 2 sich erwärmt und zum Beispiel im Schacht aufsteigt und eine thermisch bedingte Zirkulation im Fluid 2 eintritt. Dies wird vermieden, indem über die Höhe des Schachtes verteilt mehrere waagrechte Schotts mit Absperreinrichtungen zur Ausbildung von Kammern vorgesehen werden. Beim Ein- und Ausspeichern müssen die Absperreinrichtungen in den waagrechten Schotts geöffnet werden, um ein Strömen von Fluid 2 zu ermöglichen. Sobald das System ruht und die Speichervorgänge beendet sind, werden die Absperreinrichtungen in den Schotts geschlossen, um eine thermisch bedingte Zirkulation zu verhindern. In einer weiteren Ausführungsform werden die beiden Speicherbecken an der Oberfläche als Druckspeicher ausgeführt, was eine höhere Speichertemperatur als bei drucklosen Wärmespeichern ermöglicht.
• Bei Wasser als Fluid 2 kann das obere Speicherbecken als Sprinkler- oder Löschwassertank, sowie als Regenrückhaltebecken oder Regenüberlaufbecken verwendet werden. Das obere Speicherbecken kann bei Wasser als Fluid 2 mit einer Kleinwasserkraftturbine am Überlauf zur Stromerzeugung durch das Überlaufwasser verwendet werden.
• Die Erfindung ist in einer Ausführungsform nach Art eines Pumpspeicherkraftwerks ausgebildet. Ein grundlegender Erfindungsgedanke basiert darauf, durch den Dichteunterschied zweier Fluide, insbesondere zweier flüssiger Fluide, Energie zu speichern. Hierzu wird in einer Ausführungsform auf zwei physikalische Wirkprinzipien zurückgegriffen: das Prinzip der Lageenergieänderung (Prinzip von Pumpspeicherkraftwerken) und das Prinzip des (fluid-)statischen Auftriebes oder ARCHIMEDES-Auftrieb eines leichteren Stoffes in einem schwereren Fluid. Beispielhaft kann dies bei einer vorliegenden Ausführungsform mit Glycerin als zweites Medium/Fluid oder auch als Umgebungsfluid bzw. Umgebungsmedium zur Schaffung eines Systemdrucks oder Umgebungsdrucks und mit einem leichteren, z. B. Biodiesel als Energieträgermedium oder erstes Medium/Fluid realisiert werden. Das Umgebungsmedium wird zur Schaffung des Systemdrucks verwendet. Statt beispielsweise eines Einsatzes von kompressiblen Medien wie Luft wird als Energieträger ein im Sinne der vorliegenden Erfindung quasi inkompressibles Medium/Fluid mit einer geringeren Dichte als Wasser eingesetzt, wodurch dieses bestrebt ist, in einem Schwerefeld aufzusteigen. Durch die Verwendung eines quasi inkompressiblen Mediums entstehen nur sehr geringe Wärme- und Umwandlungsverluste beim Einspeicher und Ausspeichervorgang.
• Eine Ausführungsform sieht vor, dass als Speicher oder Speicherbehälter ein Schachtbauwerk, z. B. aus Beton oder Ähnlichem an Land (onshore) eingesetzt und in bestehende Strom- und Fernwärmenetze integriert werden kann. Die Tiefe des Schachtes kann je nach Anwendungsfall und gewünschter Druckstufe einer Pumpturbine gewählt werden. Erfahrungen mit Schachtbauten stehen im Bergbau ausreichend zur Verfügung. Die größte bis 2011 angewandte Fallhöhe bei Pumpturbinen lag bei ca. 1.7700 m (Fa. VOITH Hydro). Zum anderen sieht eine Ausführungsform auch im Meer oder in großen Seen oder anderen Gewässern (offshore) ein entsprechend ausgebildetes Reservoir, in der Tiefe vor, um Strom beispielsweise aus Windparks oder anderen erneuerbaren Energien zu speichern.
• Aufgrund der Verwendung der Technik der Pumpturbinen aus dem Bereich der Pumpspeicherkraftwerke wird ein hoher Gesamtwirkungsgrad >=80% angestrebt. Im Gegensatz zu den in der Fachwelt diskutierten Unterflur-Pumpspeicherkraftwerken in alten Bergwerken, befindet sich bei einer Ausführungsform der Erfindung die Pumpturbine mit Generator und Zubehör an der Oberfläche und ist dadurch einfach zugänglich zu Wartungszwecken. Am unteren Teil der Vorrichtung befinden sich keine beweglichen mechanischen Teile. Durch den Aufbau der Erfindung zum Großteil unter der Oberfläche müssen weniger sichtbare Eingriffe in die Natur vorgenommen werden. Da eine relativ große Fallhöhe verwendet werden kann, ist die pro Kubikmeter Fluid gespeicherte Energiemenge bei einer Ausführungsform der Erfindung höher als bei Pumpspeicherkraftwerken mit niedriger Fallhöhe. Folglich werden weniger Fluid und damit kleinere Speicherbecken benötigt.
• Ein weiterer Vorteil einer Ausführungsform der Erfindung ist, dass die Vorrichtung keine Anforderungen an das Gelände hat wie z. B. ein erforderlicher Höhenunterschied, d. h. sie ist nahezu überall zu realisieren.
• Um die Brand- und Entzündungsgefahr, sowie die Überalterung durch Oxidation des Energieträgerfluides und/oder Fluid 2 zu vermeiden, wird in den Speicherbecken 3 und 4 eine Schutzatmosphäre zum Beispiel mit Kohlendioxid (CO₂) und/oder Stickstoff (N₂) und/oder Sauerstoff (O₂) mit unterschiedlichen Mengenanteilen vorgehalten. Mittels der ausreichend dimensionierten Überströmeinrichtung kann während des Ein- und Ausspeichers die Schutzatmosphäre zwischen den Speicherbecken überströmen.
• Aufgrund der großen Tiefe des Schachtbauwerks kann dieses auch zur energetischen Nutzung von Oberflächengeothermie mittels Wärmepumpe verwendet werden. Alternativ kann auch für das Schachtbauwerk eine Nutzung als Kühlquelle im Sommer angedacht werden. Je nach Tiefe des Schachtes ergibt sich eine entsprechende Temperatur des Gesteines, wonach sich die thermische Nutzung dann richtet. Bei der Landversion (onshore) können zur Speicherung von Wärme unter 100°C beide Fluide, insbesondere beide flüssigen Fluide, im gesamten Speicher erwärmt werden. Um Wärmeverluste an die Umgebung zu minimieren, müssen beide Fluide in geschlossenen, gedämmten Speicherbecken gelagert werden. Die Wärme kann z. B aus einem benachbarten Kraftwerk, aus einem erneuerbaren Erzeuger, einem Fernwärmenetz oder aber auch aus dem Stromnetz („Power-to-Heat”) stammen, längere Zeit eingespeichert werden und anschließend wieder an ein Fernwärmenetz oder Verbraucher abgegeben werden.
• Zur Speicherung von Wärme über 100°C kann das Energieträger-Fluid, das heißt das Energieträgermedium und/oder das Fluid 2 erhitzt werden. In einer Ausführungsform kann das als Biodiesel ausgebildete Energieträgermedium und/oder das Fluid 2 als Glycerin bis ca. 250°C erhitzt werden, um zeitlich versetzt wieder die Wärme abzugeben und sogar Wasserdampf erzeugen, der anschließend zur Stromerzeugung über eine Dampfturbine geführt werden kann. Hierzu muss bei einer Ausführung die Druckleitung für das Energieträgermedium entweder im mit Fluid 2 gefüllten Schacht isoliert werden oder in einem separaten Schacht in die Tiefe geführt werden. Im unteren Reservoir herrscht aufgrund der anstehenden Flüssigkeitssäule ein so hoher Druck, dass die Verdampfungstemperatur des mit dem Energieträgermedium in Berührung kommenden Fluid 2 nicht erreicht wird. Auch hier kann die Wärme z. B aus einem Kraftwerk, aus einem erneuerbaren Erzeuger oder aber auch aus dem Stromnetz („Power-to-Heat”) stammen und nach der Verstromung wieder an ein Fernwärmenetz abgegeben werden. Zur direkten Strom- und Wärmeerzeugung aus dem Energieträgermedium kann die Vorrichtung auch mit einem Blockheizkraftwerk, abgekürzt BHKW, ergänzt werden. Hierzu entnimmt das BHKW den Brennstoff, Energieträgermedium z. B. Biodiesel, direkt aus dem Speicher, verbrennt diesen und erzeugt damit Wärme und Strom. Sollte die Wärme nicht zeitgleich genutzt werden können, erfolgt eine Einspeicherung der Wärme. Durch das erforderliche Nachfüllen des Speichers mit dem verbrauchten Energieträgermedium, wird dieses ständig erneuert und somit eine Überalterung vermieden.
• Im oben beschriebenen Aufbau – sowohl onshore als auch offshore – kann eine Ausführungsform der Erfindung als Regelkraftwerk eingesetzt werden. Es sind sowohl Tages-, als auch Stunden- und Minutenspeicher denkbar. Eine Ausführungsform der Erfindung ist zudem schwarzstartfähig, d. h. sie kann nach einem Netzausfall sofort hochgefahren werden. Durch die rotierende Masse der Pumpturbine kann Blindleistung zur Verfügung gestellt werden.
• Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen sind in den Unteransprüchen angegeben oder ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von mindestens einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches in den Figuren schematisch dargestellt ist. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktive Einzelheiten, räumliche Anordnung und Verfahrensschritte können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein. In den Figuren werden gleiche oder ähnliche Bauteile mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
• Es zeigen:
• 1 schematisch in einer geschnittenen Seitenansicht eine erste Ausführungsform (onshore) einer erfindungsgemäßen Vorrichtung (ohne Wärmespeicherfunktion),
• 2 schematisch in einer geschnittenen Seitenansicht eine zweite Ausführungsform (offshore) einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
• 3 schematisch in einer geschnittenen Seitenansicht eine erste Ausführungsform (onshore) einer erfindungsgemäßen Vorrichtung (mit Wärmespeicherfunktion)
• Die 1, 2 und 3 zeigen in verschiedenen Ansichten und verschiedenen Detaillierungsgraden verschiedene Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 zur Speicherung eines Energieträgermediums 110 oder auch Fluid 1. Die Vorrichtung 100 umfasst einen Speicherbehälter 120 zur Speicherung des Energieträgermediums 110 (Fluid 1) in einer Speicherposition 121 Weiter umfasst die Vorrichtung 100 eine Bewegungseinrichtung 130 zum Bewegen des Energieträgermediums 110 in den mindestens einen Speicherbehälter 120. In und/oder an dem mindestens einen Speicherbehälter 120 ist eine Kraft F, beispielsweise als Druck p bereitgestellt, die auf das in den Speicherbehälter 120 bewegte Energieträgermedium 110 einwirkt. Die Kraft F bzw. der Druck p, ist geeignet, das Energieträgermedium 110 aus dem Speicherbehälter 120 herauszubewegen, vorzugsweise in dessen Ausgangsposition 112. Zum Speichern des Energieträgermediums 110 in dem Speicherbehälter 120 ist mindestens eine Sperreinrichtung 140 vorgesehen, mit welcher ein Zufluss des Energieträgermediums 110 zu dem Speicherbehälter 120 und/oder aus dem Speicherbehälter 120 sperrt bzw. freigibt. Eine Trenneinrichtung 160 sorgt für eine senkrechte Abtrennung zwischen dem Energieträgermedium und Fluid 2.
• 1 zeigt schematisch in einer geschnittenen Seitenansicht eine erste Ausführungsform (onshore) einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100, ohne Wärmespeicherfunktion. Die Ausführungsform umfasst ein Schachtbauwerk 1. Das Schachtbauwerk 1 ist mit einem zweiten Medium 150 oder auch Fluid 2, hier beispielsweise mit Glycerin oder einer anderen Flüssigkeit, gefüllt. Weiter sind zwei getrennte Speicherbecken 3, 4 vorgesehen. In dem Speicherbecken 3 ist das zweite Medium 150 (Fluid 2), vorzugsweise in einem flüssigen Zustand gespeichert. In dem Speicherbecken 4 ist das Energieträgermedium 110 (Fluid 1), vorzugsweise in einem flüssigen Zustand, gespeichert. Die Speicherbecken 3, 4 sind an und/oder über einer Bodenoberfläche, d. h. „über Tage” angeordnet. Benachbart zu den Speicherbecken 3, 4 ist die Bewegungseinrichtung 130 angeordnet. Die Bewegungseinrichtung 130 umfasst nach 1 einen Turbinen- und Technikteil 5, welche allgemein als Maschinengebäude 5 ausgebildet sein können. Weiter ist eine Druckleitung 6 vorgesehen. Diese verbindet das Speicherbecken 4 fluidisch mit dem Speicherbehälter 120. Dabei verläuft die Druckleitung 6 durch den mit Fluid 2 gefüllten Schacht bzw. das glyceringefüllte Schachtbauwerk 1. Durch diese Druckleitung 6 gelangt das Energieträgermedium 110 in den Speicherbehälter 120, der vorliegend als eine Kammer 7 ausgebildet ist. Die Kammer 7 befindet sich am Ende des Schachtbauwerks 1 in einer vorbestimmten Tiefe. Dabei bildet die Kammer 7 mit der Trenneinrichtung 160 ein speziell ausgebildetes Reservoir zur Aufnahme des Energieträgermediums 110 aus. Das obere Speicherbecken 4 für das Energieträgermedium ist als geschlossenes Speicherbecken 4 ausgebildet. Das obere Speicherbecken 3 für das zweite Medium, zum Beispiel Glycerin, kann offen oder geschlossen ausgebildet sein und ist in 1 als geschlossenes Speicherbecken 3 ausgebildet. Die Kammer 7 ist vorliegend in 1 als speziell angefertigtes Bauwerk aus Beton oder Ähnlichem ausgebildet. Andere Bauformen wie Salzkavernen oder Ähnliches sind denkbar. Mittels einer Pumpturbine 2 der Bewegungseinrichtung 130 oder einem anderem Aktuator, oder auch mittels einer von einer Turbine getrennten Pumpe, wird unter Aufwendung von elektrischer Energie das leichtere Energieträgermedium 110 vom oberen Speicherbecken 4 gegen den herrschenden Auftrieb und durch Überwindung des in die Tiefe anstehenden Drucks der Säule des zweiten Mediums, hier der Glycerinsäule, in das entsprechend ausgebildete untere Reservoir befördert. Durch den so bewirkten Einspeichervorgang des Energieträgermediums 110 wird das zweite Medium, hier Glycerin, in das zweite Oberbecken 3 aus dem Schacht bzw. der Kammer 7 verdrängt. Eine Einströmeinrichtung 170 soll gleichmäßige Strömungsbedingungen im Reservoir beim Einspeichervorgang herstellen. Die so gespeicherte Energie des Energieträgermediums 110 steht nun als Lageenergie in der Tiefe jederzeit abrufbereit zur Verfügung, ohne dass Speicherverluste oder Ähnliches auftreten. Der so geladenen Energiespeicher weist eine Schwarzstartfähigkeit auf. Zur Rückgewinnung der elektrischen Energie wird das Energieträgermedium 110 unter Ausnutzung des (fluid-)statischen Auftriebes aus der Tiefe herauf strömen und zur Stromerzeugung durch die rückwärtslaufende Pumpturbine oder die separate Turbine 2 oder einem anderen Generator in das obere Speicherbecken 4 geleitet. Um die Brand- und Entzündungsgefahr, sowie die Überalterung durch Oxidation des Energieträgerfluides und Fluid 2 zu vermeiden, wird in den Speicherbecken 3 und 4 eine Schutzatmosphäre 220 zum Beispiel mit Kohlendioxid (CO₂) und/oder Stickstoff (N₂) und/oder Sauerstoff (O₂) vorgehalten. Mittels der Überströmeinrichtung 230 kann während des Ein- und Ausspeichers die Schutzatmosphäre zwischen den Speicherbecken überströmen. Das obere Speicherbecken 3 ist zusätzlich mit einer als Kleinwasserkraftturbine ausgebildeten Turbine 8 an einem Überlauf zur Stromerzeugung durch überlaufendes zweites Medium vorgesehen. Weiter ist in 1 ein Blockheizkraftwerk 9 dargestellt. Mit diesem lässt sich beispielsweise die Energie von Energieträgermedium 110 entsprechend nutzen. Zwischen den Fluiden bzw. dem Energieträgermedium 110 und dem zweiten Medium 150 ist eine Membran 180 als Trenneinrichtung vorgesehen. Die Sperreinrichtung 140 ist in 1 als ein Sperrventil ausgebildet. Das Energieträgermedium 110 ist mit einer Schutzatmosphäre 220 umgeben. Die beiden Fluide 110 und 150 sind mit einer Überströmeinrichtung 230 verbunden, sodass auch das zweite Medium 150 mit der Schutzatmosphäre 220 umgeben ist.
• 2 zeigt schematisch in einer geschnittenen Seitenansicht eine zweite Ausführungsform (offshore) einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100. Gleiche Bezugszeichen stellen gleiche oder ähnliche Bauteile dar. Die zweite Ausführungsform umfasst einen Schwimmkörper 10 mit einer Speicherkammer 11 für das Energieträgermedium 110. In dem Schwimmkörper 10 ist ein Turbinen- und Technikteil 12 vorgesehen, der im Wesentlichen dem Turbinen- und Technikteil 5 der 1 entspricht. Um die Brand- und Entzündungsgefahr, sowie die Überalterung durch Oxidation des Energieträgerfluides und Fluid 2 zu vermeiden, wird in der Speicherkammer 11 eine Schutzatmosphäre 220 zum Beispiel mit Kohlendioxid (CO₂) und/oder Stickstoff (N₂) und/oder Sauerstoff (O₂) vorgehalten. Weiter umfasst die Vorrichtung 100 ein als Reservoir 13 ausgebildeten Speicherbehälter 120 in einer Tiefe des zweiten Mediums, hier eines Meeres. Das Reservoir 13 ist mit Ballastkörpern oder Verankerung 14 in der Tiefe festgelegt, beispielsweise an einem Meeresgrund. Dies verhindert einen ungewollten Auftrieb. Das Reservoir 13 ist zumindest teilweise aus einem flexiblen oder nachgiebigem Material, beispielsweise ähnlich einem Heißluftballon, ausgebildet. In einer anderen Ausführungsform ist das Reservoir 13 aus einer starren Halbkugel oder Kuppel ausgebildet, die vorzugsweise zumindest teilweise offen ausgebildet sind, sodass eine fluidische Verbindung des zweiten Mediums mit dem Inneren des Reservoirs 13 besteht. Bei der offenen Ausführungsform stellt das umgebende zweite Medium, hier das Meer, mit seinem Medium, hier eine Salzlösung den Systemdruck zu Verfügung. In dem Reservoir 13 wird so lediglich das Energieträgermedium 110 vorgehalten. Das Ein- und Ausspeichern erfolgt analog zu der onshore-Ausführungsform gemäß 1. Um ein unkontrolliertes Ausströmen des Energieträgerfluides bei einem Schadensfall zu verhindern, wird eine Auffangvorrichtung 190 über dem Reservoir 13 vorgesehen. Austretendes Energieträgerfluid steigt auf und wird mittels einer Leitung wieder im Schwimmkörper aufgefangen. Auf diese Weise kann die Vorrichtung 100 in räumlicher Nähe zu Offshore-Stromerzeugern oder an Küstengewässern installiert werden. Aufgrund der größtenteils mit Meer bedeckten Fläche der Erde kann die Vorrichtung 100 nahezu überall realisieren werden.
• 3 zeigt schematisch in einer geschnittenen Seitenansicht eine erste Ausführungsform (onshore) einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100, Aufbau analog zu 1, jedoch mit Wärmespeicherfunktion. Die Speicherbecken 3 und 4 sind hierzu mit einer Speicherdämmung 200 ausgeführt, um Wärmeverluste zu minimieren. Zur Wärmeübertragung an das Energieträgerfluid und/oder Fluid 2 sind Wärmetauscher 210 für das jeweilige Medium vorgesehen. Wird die Wärme nur im Energieträgerfluid bzw. Energieträgermedium 110 gespeichert, sind über die Höhe des Schachtes verteilt mehrere waagrechte Schotts mit Absperreinrichtungen 240 zur Ausbildung von Kammern vorgesehen, um eine thermisch bedingte Zirkulation von Fluid 2 zu verhindern. Das Ein- und Ausspeichern erfolgt analog zu der onshore-Ausführungsform gemäß 1.
• Es versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
• Bezugszeichenliste

1

Schachtbauwerk

2

Pumpe/Pumpturbine

3

Speicherbecken (zweites Medium)

4

Speicherbecken (Energieträgermedium)

5

Maschinengebäude/Turbinen- und Technikteil

6

Druckleitung

7

Kammer

8

Turbine

9

Blockheizkraftwerk

10

Schwimmkörper

11

Speicherkammer

12

Turbinen- und Technikteil

13

Reservoir

14

Ballastkörper/Verankerung

100

Vorrichtung

110

Energieträgermedium (Fluid 1)

112

Ausgangsposition

120

Speicherbehälter

121

Speicherposition

130

Bewegungseinrichtung

140

Sperreinrichtung

150

zweites Medium (Fluid 2)

160

Trenneinrichtung

170

Einströmeinrichtung

180

Membran

190

Auffangeinrichtung

200

Speicherdämmung

210

Wärmetauscher

220

Schutzatmosphäre

230

Überströmeinrichtung

240

waagrechtes Schott mit Absperreinrichtung

F

Kraft

P

Druck

Claims (9)

1. Verfahren zur Speicherung eines Energieträgermediums (110), insbesondere eines Energieträgermediums (110) in flüssigem Aggregatzustand, umfassend die Schritte: Vorsehen des mindestens einen inkompressiblen Energieträgermediums (110) in einem Speicherbecken (4), Vorsehen mindestens eines mit einem inkompressiblen zweiten Medium (150) gefüllten Speicherbehälters (120), wobei der Speicherbehälter (120) tiefer als das Speicherbecken (4) angeordnet ist und das zweite Medium (150) eine höhere Dichte als das Energieträgermedium (110) aufweist, Bewegen des Energieträgermediums (110) in den Speicherbehälter (120), wobei das Energieträgermedium (110) aufliegend auf dem zweitem Medium (150) über dem zweiten Medium (150) in einer Kammer (7, 11) des Speicherbehälters (120) angeordnet wird, und wobei in und/oder an dem Speicherbehälter (120) eine Kraft (F) bereitgestellt wird, insbesondere beim Speichern permanent bereitgestellt wird, die auf das in den Speicherbehälter (120) bewegte Energieträgermedium (110) einwirkt, welche geeignet ist, das Energieträgermedium (110) aus dem Speicherbehälter (120) herauszubewegen, vorzugsweise in dessen Ausgangsposition (112), wobei eine Sperreinrichtung (140) vorgesehen wird, welche den Zufluss des Energieträgermediums (110) zu dem Speicherbehälter (120) und/oder aus dem Speicherbehälter (120) sperrt bzw. freigibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bereitstellung der Kraft (F) auf das Energieträgermedium (110) das zweite Medium (150) verwendet wird, welches eine Umgebungskraft, insbesondere einen Umgebungsdruck, für den Speicherbehälter (120) und/oder das Energieträgermedium (110) bereitstellt, zumindest bei geschlossener Sperreinrichtung.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Medium (150) den Speicherbehälter (120) und/oder das Energieträgermedium (110) kontaktiert und so den Umgebungsdruck direkt und/oder über mindestens eine unter dem Umgebungsdruck nachgiebige Wandung des Speicherbehälters (120) auf das Energieträgermedium (110) ausübt.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei anliegendem Umgebungsdruck bei einem Öffnen der Sperreinrichtung (140) das Energieträgermedium (110) aus dem Speicherbehälter (120) ausströmt und bei Sperren der Sperreinrichtung (120) das Energieträgermedium (110) in dem Speicher (120) verbleibt.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Energiegewinnungsvorrichtung wie eine Pumpturbine oder Pumpe und getrennte Turbine vorgesehen wird, welche Energie des aus dem Speicherbehälter (120) ausströmenden Energieträgermediums (110) wandelt und/oder nutzt.
6. Vorrichtung (100) zur Speicherung eines Energieträgermediums (110), insbesondere eines Energieträgermediums (110) in flüssigem Aggregatzustand, umfassend Mittel zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche, insbesondere umfassend: mindestens ein Speicherbecken (4) mit dem mindestens einen inkompressiblen Energieträgermedium (110), mindestens einen Speicherbehälter (120) gefüllt mit einem inkompressiblen zweiten Medium (150), wobei der Speicherbehälter (120) tiefer als das Speicherbecken (4) angeordnet ist und das zweite Medium (150) eine höhere Dichte als das Energieträgermedium (110) aufweist, mindestens eine Bewegungseinrichtung (130) zum Bewegen des Energieträgermediums (110) in den mindestens einen Speicherbehälter (120), wobei sich das Energieträgermediums (110) in dem Speicherbehälters (120) in einer Kammer (7, 11) des Speicherbehälters (120) aufliegend auf dem zweitem Medium (150) über dem zweiten Medium (150) befindet, und wobei und in und/oder an dem mindestens einen Speicherbehälter (120) eine Kraft (F) bereitgestellt ist, insbesondere beim Speichern permanent bereitgestellt ist, die auf das in den Speicherbehälter (120) bewegte Energieträgermedium (110) einwirkt, welche geeignet ist, das Energieträgermedium (110) aus dem Speicherbehälter (120) herauszubewegen, vorzugsweise in dessen Ausgangsposition (112), wobei eine Sperreinrichtung (140) vorgesehen ist, mit welchem der Zufluss des Energieträgermediums (110) zu dem Speicherbehälter (120) und/oder aus dem Speicherbehälter (120) sperrbar bzw. freigebbar ist.
7. Vorrichtung (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Medium (150) eine Umgebungskraft, insbesondere einen Umgebungsdruck, für den Speicherbehälter (120) und/oder das Energieträgermedium (110) bereitstellt.
8. Vorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Medium (150) den Speicherbehälter (120) und/oder das Energieträgermedium (110) kontaktiert und so den Umgebungsdruck direkt und/oder über mindestens eine unter dem Umgebungsdruck nachgiebige Wandung des Speicherbehälters (120) auf das Energieträgermedium (110) ausübt.
9. Vorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Energiegewinnungsvorrichtung wie eine Pumpturbine oder eine Turbine mit getrennter Pumpe vorgesehen ist, welche Energie des aus dem Speicherbehälter (120) ausströmenden Energieträgermediums (110) wandelt und/oder nutzt.

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