DE102015005345A1

DE102015005345A1 - Verfahren und Vorrichtung zu Energiespeicherung mit Luft

Info

Publication number: DE102015005345A1
Application number: DE102015005345.0A
Authority: DE
Inventors: Bodo M. Wolf
Original assignee: BW-ENERGIESYSTEME GmbH
Current assignee: BW-ENERGIESYSTEME GmbH
Priority date: 2015-04-28
Filing date: 2015-04-28
Publication date: 2016-11-03
Also published as: WO2016173705A2; WO2016173705A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, die eine Druckgasspeicherung mit einem Wärmeträgerkreislauf so mit einer hydraulischen Druckhaltung kombinieren, dass der Gasdruck im Druckgasbehälter sowohl während der Speicherung als auch bei der Entnahme geregelt oder konstant gehalten werden kann, wodurch eine thermodynamisch vorteilhafte Be- und Entladung des Speichers mit Gas sowie dessen Kompression und Expansion mit optimalen Druckdifferenzen ermöglicht wird. Die Wärmebilanz des Wärmeträgerkreislaufes, vorzugsweise mit Wasser, wird gesichert durch eine in den Kreislauf integrierte Flashverdampfung und eine Sattdampfturbinenanlage zur Stromerzeugung. Die Speicherung des Vor- und Rücklaufes des Wärmeträgerkreislaufes erfolgt getrennt bei pneumatischer Druckhaltung. Die Erfindung ermöglicht den Bau von standortunabhängigen Energiespeichern an den Netzknotenpunkten elektrischer Netze für eine bedarfsgerechte Versorgung mit regenerativer Energie bei minimiertem Ausbau der elektrischen Netze, insbesondere der Übertragungsleitungen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Energiespeicherung mit Luft oder anderen Gasen in Druckgasbehältern, insbesondere von solchen mit großem Volumen, in Kombination mit einer Gaskompression zum Zwecke der Stoff- und Energiespeicherung und in Kombination mit einer Gasexpansion zur Entladung von Behältern zum Zwecke der Stoff- und Energierückgewinnung.
Das Hauptanwendungsgebiet der Erfindung ist die Produktion, die Speicherung und der Transport von technischen Gasen in der chemischen Industrie und die Speicherung von Gasen unter Druck und von fühlbarer Wärme infolge technischer Arbeit bei der Energieumwandlung und -speicherung in der Energieversorgung.
Die Be- und Entladung von Behältern mit und von komprimierten Gasen ist in der Industrie, im Handel, aber auch in der Energieversorgung unter thermodynamisch isochorer Änderung des Zustandes der Gase, in Gleitdruckspeichern seit langem Stand der Technik, insbesondere bei der Speicherung von Erdgas und anderen Brenn- und Synthesegasen, aber auch von Wasserstoff und technischen Gasen, wie Stickstoff, Sauerstoff, Helium, Kohlendioxid u. a. m..
Gegenwärtig wird intensiv an der Entwicklung und Erprobung von Verfahren zur Nutzung von Luft für die Stromspeicherung, darunter an Varianten der Speicherung von Druckluft gearbeitet, die sich bisher hauptsächlich auf die Be- und Entladung von unterirdischen Hohlräumen, wie Kavernen, konzentriert, wie sie vielfach auch von Fraunhofer/Umsicht Deutschland öffentlich vorgestellt wurden (16. Brandenburger Energietage 2014, Cottbus, 28.08.2014). Vorgestellt wurden sogenannte diabate und adiabate Druckluftspeicher. Das Ziel der diabaten Gasspeicher ist die Speicherung großer gekühlter Gasmassen und deren Ausspeisung aus dem Speicher mit möglichst hohem Druck. Die durch Kompression ansteigende fühlbare Wärme der Gase wird bei diesen Verfahren nicht zum Zwecke der Wiedererwärmung verwendet, so dass der Stromrückgewinnungsgrad solcher Anlagen ohne Zufeuerung nur bei 35% liegt.
Es hat sich gezeigt, dass die Gase, deren Temperatur in Abhängigkeitsgrad vom Kompressionsdruck durchaus mehr als 500°C betragen kann, vor ihrer Einspeisung in die Kaverne, vor allem aus geologischen Gründen, gekühlt werden müssen und dass, zur Sicherung einer ausreichenden technischen Arbeitsfähigkeit der Gase bei der Ausspeisung, die den Gasen nach der Kompression entzogene fühlbare Wärme durch Zufeuerung, wie bei den Projekten Huntorf in Deutschland (EWE Gasspeicher GmbH) und Mclntosh in den USA (PowerSouth Energy Cooperative), wieder zugeführt werden sollte.
Das führte zu der Erkenntnis, dass es zweckmäßig ist die Gase gestuft zu komprimieren und die fühlbare Wärme der komprimierten Gase (Druckgas) vor deren Einspeisung in die Kavernen an vorzugsweise flüssige Wärmeträger zu übertragen und diese so zu speichern, dass ihre fühlbare Wärme bei der Ausspeisung an das kalte Druckgas wieder übertragen werden kann. Solche LTA-CAES-Druckluftspeicher mit integriertem Wärmeträgerspeicher sind unter der Bezeichnung „adiabate Druckluftspeicher” bekannt geworden, obwohl die Zustandsänderungen des Speichergases nicht adiabat ablaufen.
Der Nachteil dieser Speicher ist deren Abhängigkeit von den geologischen Gegebenheiten.
Mit dem Ausbau der regenerativen Energie und deren diskontinuierlicher Verfügbarkeit für eine bedarfsgerechte Versorgung besteht Bedarf an standortunabhängigen Stromspeichern mit hoher Ein- und Ausspeiseleistung und Kapazität. Vorgeschlagen wurde deshalb, die Speicherung von hoch komprimierter und gekühlter Luft in standortunabhängigen Druckgefäßen, wobei die Luft stufenweise komprimiert, deren fühlbare Wärme je Druckstufe rekuperativ an flüssige Wärmeträger, z. B. Wasser, übertragen, der erwärmte Wärmeträger gespeichert und dessen fühlbare Wärme bei der Ausspeisung des kalten Druckgases an dieses zurück übertragen und so das technische Arbeitsvermögen der Gase gesteigert wird. Druckwasser ist als Wärmeträger geeignet. Das Befüllen und Entladen der Gasdruckbehälter erfolgt allerdings bei konstantem Volumen der Behälter, also über eine thermodynamisch isochore Zustandsänderung des Gases, in sogenannten Gleitdruckgefäßen. Die Aufgabe des Befüllens und des Entladens von Behältern mit konstantem Volumen ist exergetisch nicht optimal, weil die Beladung der Druckbehälter mit Druckgas und deren Entladung instationäre Lade- und Ausspeisedrücke und damit Exergieverluste zur Folge haben, was insbesondere für die Maschinen zur Entladung und damit die Stromrückgewinnung nicht vorteilhaft ist. Nachteilig ist, dass auf Grund der Arbeitskennlinien der Kompressions- und Expansionsmaschinen nicht das gesamte Druckgefälle des komprimierten Gases und damit nicht das gesamte Behältervolumen für die Speicherung und Entladung genutzt werden kann.
Deshalb wird neuerdings auch an der Verwendung von flüssiger/verflüssigter Luft für die Speicherung von Energie gearbeitet, die bei der Entnahme der Luft aus dem Speicher einen konstanten Luftdruck sichern soll.
Mit dem EP-Patent Nr. EP 2 067 942 wurde eine Erfindung bekannt, die einen isobaren Betrieb eines standortunabhängigen Wasser-Pumpspeicherkraftwerkes ermöglicht. Die annähernd konstante Förder- und Fallhöhe bei diesem Verfahren wird durch gasförmiges Kohlendioxid, das durch isotherme Verdampfung und Kondensation bereitgestellt wird, so gesichert, dass das Wasser unter isobaren Bedingungen aus einem Druckwasserbehälter mit annähernd stabilem Druck einer technische Arbeit leistenden Wasserturbine zu geführt werden kann. Die Speicherung des Kühl- und Heißwassers ist für die Effektivität von Druckluftkraftwerken auch von Bedeutung. Beim Stand der Technik ist der Einsatz von sogenannten Schichtenspeichern üblich, bei denen von unten eingespeistes kaltes Wasser das gleiche Volumen Warmwasser oben aus dem Speicher drückt. Dieser Vorgang kehrt sich bei der Beladung des Speichers mit Warmwasser von oben um. Auf Grund der relativ niedrigen Wärmeleitung des Wassers bilden sich im Speicher Wasserschichten mit unterschiedlicher Temperatur aus. Diese Speicher haben allerdings den Nachteil, dass sich zwischen der oberen und der unteren Wasserschicht eine mittlere Wasserschicht ausbildet, die über die Beladezyklen und über die Zeit so anwächst, dass das Wasser dieser Schicht seine Eignung für die rekuperative Kühlung oder Beheizung in Druckluftkraftwerken verliert.
Es hat sich weiterhin gezeigt, dass beim Stand der Technik der Druckgasspeicherung der durch Kompression aufgebaute Gasdruck, als Druckgefälle der Expansion, nicht ausreicht für die vollständige Rückumwandlung der fühlbaren Wärme des komprimierten Gases, also der Kompressionswärme, in technische Arbeit.
Begründet ist das dadurch, dass bei der Kompression von idealen Gasen die Kompressionsenergie, abzüglich Raumänderungsarbeit und Oberflächenverluste, in fühlbare Wärme der Gase umgewandelt wird, wobei die für die Übertragung der fühlbaren Wärme erforderliche Temperaturdifferenz zwischen Gas und Wärmeträger allerdings dazu führt, dass einerseits der für die Kühlung eingesetzte Wärmeträger nicht die Temperatur des Gases erreicht, so dass bereits das technische Arbeitsvermögen der fühlbaren Wärme des Wärmeträgers niedriger ist als das des zu kühlenden Gases und andererseits die Temperatur des aufzuheizenden Gases auch unter der des eingesetzten Wärmeträgers bleibt, so dass bei gleichen Druckverhältnissen bei der Kompression und Expansion des Gases die Gasexpansion gegenüber der Kompression zu kleineren Temperaturdifferenzen, und damit sinkender technischer Arbeitsfähigkeit des Gases führt.
Die Zielstellung der vorliegenden Erfindung ist die Steigerung der energetischen Effizienz der Energiespeicherung, in thermodynamisch zur Umgebung offenen Druckgaskreisläufen als Prozessstufe der Stromspeicherung, durch eine thermodynamisch verbesserte Technologie der Be- und Entladung von Behältern mit technischen Gasen, Luft und Brenngasen sowie eine bessere Nutzung der fühlbaren Wärme der zur Kühlung des komprimierten Gases verwendeten und gespeicherten Wärmeträger.
Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, eine technische Lösung vorzuschlagen, die

• nach der Kompression der Gase einen konstanten oder geregelten Entnahmedruck aus dem Behälter und vor der Gasexpansion einen konstanten bzw. geregelt abgesenkten oder erhöhten Vordruck im Druckgasbehälter sichert, und
• die vollständige Nutzung der gespeicherten fühlbaren Wärme des Wärmeträgers und im Wärmeträgerzyklus eine konstante Temperaturdifferenz des Wärmeträgers zwischen Vor- und Rücklauf ermöglicht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren und eine Vorrichtung, die eine Druckgasspeicherung mit einem Wärmeträgerkreislauf so mit einer hydraulischen Druckhaltung kombinieren, dass der Gasdruck im Druckgasbehälter sowohl während der Speicherung als auch bei der Entnahme geregelt oder konstant gehalten werden kann, wodurch eine thermodynamisch vorteilhafte Be- und Entladung des Speichers mit Gas sowie dessen Kompression und Expansion mit optimalen Druckdifferenzen ermöglicht wird. Die Wärmebilanz des Wärmeträgerkreislaufes, vorzugsweise mit Wasser, wird gesichert durch eine in den Kreislauf integrierte Flashverdampfung und eine Sattdampfturbinenanlage zur Stromerzeugung. Die Speicherung des Vor- und Rücklaufes des Wärmeträgerkreislaufes erfolgt vorteilhaft getrennt bei pneumatischer Druckhaltung.
Die Erfindung ermöglicht den Bau von standortunabhängigen Energiespeichern an den Netzknotenpunkten elektrischer Netze für eine bedarfsgerechte Versorgung mit regenerativer Energie bei minimiertem Ausbau der elektrischen Netze, insbesondere der Übertragungsleitungen.
Erfindungsgemäß wird:

– Einerseits ein Druckgasbehälter, mit einer hydraulischen Druckhaltung ausgestattet, indem dieser vor der Befüllung mit komprimiertem und gekühltem Gas, vorzugsweise Luft, mit inkompressiblen Lösungen, vorzugsweise mit Wasser, gefüllt wird, die während der Befüllung des Behälters mit Gas über eine den Druck im Behälter konstant haltende oder regelnde Vorrichtung, z. B. ein Druckhalteventil oder eine technische Arbeit leistende Expansionsvorrichtung, aus diesem abgeleitet wird, und
– andererseits, während der Entladung des Behälters von Gas, eine solche Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, als hydraulische Druckhaltung so in den Behälter gedrückt, dass der Druck des Gases im Behälter bei der Entladung konstant bleibt, geregelt fällt oder steigt.
– Das Gas vor seiner Zuführung zum Behälter ein oder mehrstufig komprimiert und seine fühlbare Wärme ein oder mehrstufig an einen Wärmeträger, vorzugsweise Wasser, rekuperativ abgeführt.
– Die Temperatur des Gases nach seiner Ableitung aus dem Druckbehälter und vor seiner technische Arbeit leistenden ein- oder mehrstufigen Expansion, vorzugsweise durch rekuperative Übertragung von fühlbarer Wärme des Wärmeträgers, so erhöht, dass die durch Kompression und Expansion entstehenden Temperaturdifferenzen des Gases annähernd gleich sind.
– Die Temperatur des Gases vor seiner Expansion durch Zu- oder Abführung von Wärme, gegebenenfalls auch externer Wärme, so hoch eingestellt, dass das Gas nach der Expansion direkt, oder über einen Wärmeträger, für Heiz- und Kühlzwecke eingesetzt werden kann.
– Während der Expansion des Druckgases nicht genutzte fühlbare Wärme des Wärmeträgers direkt oder rekuperativ als Nutzwärme und/oder zur rekuperativen Beheizung eines externen Kraftprozesses, z. B. eines Organic Rankine Cycle(ORC)-Prozesses oder zur Flashdampferzeugung verwendet und der ausgekühlte Wärmeträger dem Kühlkreislauf wieder zugeführt.

Gegenstand der Erfindung ist daher insbesondere ein Verfahren zur Speicherung von Luft und anderen Gasen unter Druck in Druckgasbehältern, bei dem die Behälter durch Gaskompression mit Gas beladen und über eine technische Arbeit leistende Gasexpansion entladen werden, wobei die Behälter vor ihrer Beladung mit Gas, mit Wasser oder einer anderen Flüssigkeit gefüllt sind, die während des Befüllens der Behälter mit komprimiertem Gas, durch das Gas unter Abgabe von technischer Arbeit aus dem Behälter gedrückt und die Flüssigkeit während der Entnahme von Druckgas aus den Behältern in die Behälter bei konstantem oder geregeltem Gasdruck gepumpt wird.
Vorteilhaft werden die Druckdifferenzen zwischen dem Eingangs- und Ausgangsgas bei der Gaskompression und Gasexpansion so eingestellt, dass die Temperaturdifferenzen des Gases infolge der Gaskompression und -expansion annähernd gleich sind.
Weiterhin bevorzugt wird das komprimierte Gas nach jeder Kompressionsstufe durch einen Wärmeträgerkreislauf gekühlt und vor jeder Expansionsstufe erwärmt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind der Wärmeträgerkreislauf zu den Kühl- und Erwärmungsstufen parallel und in den Gasströmen nach der Kompression und Expansion hintereinander (in Reihe) geschaltet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung wird die für die Erwärmung des Gases bei der Expansion nicht benötigte fühlbare Wärme des Wärmeträgerkreislaufes einer externen Nutzung oder einer Flashdampferzeugung mit anschließender Nutzung des Flashdampfes in einer Dampfturbine oder einer Dampfmaschine zur Stromerzeugung und der durch Flashverdampfung ausgekühlte Wärmeträger und das Flashdampfkondensat dem Wärmeträgerkreislauf wieder zugeführt.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass Vor- und Rücklauf des zur Kühlung und Erwärmung des Druckgases eingesetzten Wärmeträgers in separaten Druckgefäßen gespeichert werden, deren nicht mit flüssigem Wärmeträger gefüllte Teile, die untereinander pneumatisch verbunden sind, mit Gas, unter einem Druck, der mindestens dem Siededruck des erwärmten Wärmeträgers entspricht, beladen werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist gekennzeichnet durch Kombination von einem oder mehreren Druckgasbehältern für die Speicherung von gekühltem und komprimierte Gas, vorzugsweise Luft, mit

– einem oder mehreren unter atmosphärischen oder gering erhöhtem Druck arbeitenden Behältern 7.1 für die zur Druckhaltung im Druckgasbehälter verwendete inkompressiblen Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, mit Druckerhöhungspumpen 7.2 und Vorrichtungen zur technische Arbeit leistenden Druckabsenkung 7.3 der inkompressiblen Lösung,
– und einem oder mehreren Behältern für den für die Kühlung des komprimierten Gases eingesetzten Wärmeträger, die bei Verwendung von Wasser als Wärmeträger Druckbehälter sind,
– mindestens 2 oder mehreren Behältern 4 für den für die Kühlung und Beheizung des komprimierten Gases eingesetzten Wärmeträger,
– Gaskompressoren 3 und Gasexpansionsmaschinen 8,
– Rekuperatoren 6.1, 6.5 für die Übertragung der fühlbaren Wärme des komprimierten Gases an den Wärmeträgerkreislauf 5 bzw. der fühlbaren Wärme des Wärmeträgers an das Druckgas aus dem Druckgasbehälter 7 zum Zwecke der Erhöhung der Temperatur des Gases nach seiner Ausspeisung aus dem Druckgasbehälter 7 vor der Expansion 3,
– einem Rekuperator zur Übertragung der für die Wiederaufheizung des Druckgases nicht benötigter Wärme des Wärmeträgers an eine Wärmeversorgung oder einen technische Arbeit leistenden Kraftprozess, oder bei Verwendung von Druckwasser als Wärmeträger, einer Flashverdampfung 9 mit Sattdampfturbinenanlage 10.

Weiter Gegenstand der Erfindung ist somit eine Vorrichtung zur Speicherung von Gasen unter Druck in Druckgasbehältern, worin die Druckgasbehälter mit einer hydraulischen Druckhaltung für ihre Be- und Entladung mit Druckgas ausgestattet sind.
Bevorzugt ist die Vorrichtung so ausgestaltet, dass die Druckgasbehälter mit ein- oder mehrstufigen Gaskompressionen und -expansionen gasseitig in Reihe und wärmeträgerseitig parallel schaltbar sind.
Weiterhin bevorzugt ist die Gaskompression und -expansion rekuperativ mit einem Wärmeträgerkreislauf, der die fühlbare Wärme des komprimierten Gases aufnimmt, das Gas aus dem Druckgasspeicher vor seiner Entspannung erwärmt, den erwärmten bzw. ausgekühlten Wärmeträger wechselseitig einem Wärmeträgerspeicher zuführt und diesem zum Zwecke der Gaserwärmung bzw. -kühlung wieder entnimmt, und mit einer Auskühlung des Wärmeträgers durch Flashverdampfung kombiniert.
Vorteilhaft ist die Vorrichtung zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Speicherung von Luft und anderen Gasen unter Druck in Druckgasbehältern geeignet.
Die volkswirtschaftliche Bedeutung der Erfindung liegt in

– ihrer Brauchbarkeit, Strom mit für die bedarfsgerechte Versorgung aus regenerativer Energie mit erforderlicher Leistung und Kapazität standortunabhängig mit Hilfe von Luft und Wasser als Arbeitsmittel, ökonomisch vorteilhaft zu speichern und auszuspeisen,
– ihrer Anwendbarkeit in der Kombination Stromspeicherung, Wärme und Kälteversorgung und damit in der Verbesserung der Energie- und Anlageneffizienz,
– der Möglichkeit, die Energieversorgung von fossilen und atomaren Brennstoffen auf regenerative Energie unter Vermeidung von großen Zerstörungen in der Umwelt und großen Investitionen in den Ausbau der elektrischen Netze, umzustellen.

Die Erfindung bezieht sich auch auf sämtliche Kombinationen von bevorzugten Ausgestaltungen, soweit diese sich nicht gegenseitig ausschließen. Die Angaben ”etwa” oder ”ca.” in Verbindung mit einer Zahlenangabe bedeuten, dass zumindest um 10% höhere oder niedrigere Werte oder um 5% höhere oder niedrigere Werte und in jedem Fall um 1% höhere oder niedrigere Werte eingeschlossen sind.
Die Erfindung wird anhand des nachfolgenden Beispiels beschrieben, ohne darauf eingeschränkt zu sein.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung wird am Beispiel eines Druckluftspeicherkraftwerkes mit 1 und 2 beispielhaft wie folgt beschrieben:
Druckhaltung
Erfindungsgemäß wird der Stand der Technik standortunabhängiger Druckluft-Speicher-Kraftwerke durch eine hydraulische Druckhaltung 7.4 im Druckluftspeicher 7, die ein isobares Be- und Entladen des Druckgasspeichers 7 und damit eine verbesserte Effizienz bei der Verwendung von Gasen zur Energiespeicherung ermöglicht, erweitert. Erreicht wird die Druckhaltung durch Befüllen des Druckluftspeichers 7 während der Luftausspeisung mit Wasser aus dem Wasserbecken 7.1 über die Wasserpumpe 7.2 und durch Ableitung des unter Gasdruck stehenden Wassers über die Wasserturbine 7.3 in das atmosphärische Wasserbecken 7.1 während des Befüllens des Druckluftspeichers 7 mit Luft.
Beladung des Druckluftspeichers.
Im Beispiel wird gefilterte Luft über die Ansaugstation 6.8 aus der Umgebung entnommen, durch den Kompressor 3 mehrstufig über die Kompressionsstufen 3.1 bis 3.4, mit Zwischenkühlung in den Rekuperatoren 6.1 bis 6.4 durch einen Druckwasserkreislauf 5, komprimiert.
Die nach dem Rekuperator 6.4 vorliegende gekühlte Druckluft wird unter isobaren Bedingungen in den Druckluftspeicher 7 gedrückt, der mit Wasser gefüllt ist, indem dieses mit einem Druck, der dem Druck der komprimierten Luft entspricht, aus dem Druckluftspeicher 7 über die Wasserturbine 7.3 in das Wasserbecken 7.1 abgeleitet wird. Die Beladung des Speichers 7 mit Druckluft ist abgeschlossen, wenn die Druckluft das Wasser unter Abgabe von technischer Arbeit über die Wasserturbine 7.3 fast vollständig aus dem Behälter 7 in das unter atmosphärischem Druck stehendes Wasserbecken 7.1 verdrängt hat. Der Druckluftbehälter 7 soll im Beispiel ein Ladevolumen von 1000 m³ haben und der Ladedruck soll 250 bar betragen. Unter diesen Bedingungen kann das aus dem Druckbehälter 7 strömende Wasser eine technische Arbeit in der Wasserturbine 7.2 von ca. 6000 kWh abgeben. Die isobare Entladung des Behälters 7 von der Druckluft wird erfindungsgemäß gesichert, indem über eine Wasserpumpe 7.2 aus dem atmosphärischem Wasserbecken 7.1 Wasser mit einem Druck, der dem der zugeführten Druckluft in Höhe von 250 bar entspricht, in den Druckbehälter 7 mit einem der Druckluftentnahme entsprechenden Volumen gepumpt wird. Die Entladung des Druckluftbehälters wird beendet, wenn der Druckluftbehälter 7 fast vollständig mit Wasser gefüllt ist. Bei einem Ladevolumen des Druckbehälters 7 von 1000 m³ muss die Wasserpumpe 7.2 ca. 6500 kW Arbeit leisten.
Drucklufterzeugung:
Das Arbeitsmittel Luft wird aus der Umgebung 6.8 angesaugt, gefiltert, auf 55°C vorgewärmt, mit dieser Temperatur der Kompression 3 zugeführt, dort über 4 Stufen auf jeweils eine Gastemperatur von 237°C komprimiert, und danach nach jeder Kompressionsstufe in den Rekuperatoren 6.1 bis 6.4 auf 55°C gekühlt.

Die Druckverhältnisse, Temperaturen und die spezifische technische Arbeit sind in diesem Beispiel folgende:

	Kompression
	Drücke* in bar		Temperaturen in °C		Kompressionsarbeit
	Anfang	Ausgang	Eingang	Ausgang	in kJ/kg Luft
1. Stufe	0,095	4,000	55	237	185
2. Stufe	3,800	16,000	55	237	185
3. Stufe	15,300	64,000	55	236	185
4. Stufe	62,000	256,000	55	236	185

Die rekuperative Kühlung der komprimierten Luft zwischen den Kompressionsstufen 3.1 bis 3.4 und dem Druckluftspeicher 7 erfolgt durch Kühlwasser aus den Druckwasserspeichern 4. Aus dem Kaltwasserspeicher 4.3 wird das Druckwasser mit 50°C den Rekuperatoren 3.1 bis 3.4 zugeführt und aus diesen mit 230°C dem Heißwasserspeicher 4.4 wieder zugeführt. Bei Verwendung eines Wasserschichtenspeichers wird das Kühlwasser, wie in 2 gezeigt, dem Speicher von unten entnommen und das in den Rekuperatoren 6.1 bis 6.4 aufgewärmte Wasser dem Speicher von oben wieder zugeführt. Währen der Entladung des Druckluftspeichers 7 ist die Strömungsrichtung im Druckwasserkreislauf umgekehrt.
Druckluftexpansion:

Druckverhältnisse, Temperaturen und technische Arbeit der Expansion sind folgende:

	Drücke* in bar		Temperaturen in °C		Expansionsarbeit
	Anfang	Ausgang	Eingang	Ausgang	in kJ/kg Luft
1. Stufe	249,0	40,00	225	44	184
2. Stufe	39,5	6,50	225	45	182
3. Stufe	6,4	1,05	225	42	186

*die Differenzen zwischen den Anfangsdrücken zu den Enddrücken zwischen den Kompressions- und Expansionsstufen sind die Strömungsverluste zwischen den Druckstufen über die Rekuperatoren.

Energiebilanz
Die komprimierte Luft überträgt in den Rekuperatoren 6.1 bis 6.4 insgesamt 740 kJ/kg Luft an das Kreislaufwasser 5 aus dem Druckwasserspeicher 4, wofür bei einer Erwärmung des Wassers von 50 auf 230°C eine spezifische Wassermasse von 0,981 kg Kühlwasser/kg Luft erforderlich ist.
Das aufgewärmte Wasser 5.2 und damit der größte Teil der Kompressionsenergie wird unter einem Druck von 30 bar mit einer Temperatur von 230°C im Druckwasserspeicher 7 gespeichert, von dort zur rekuperativen Erwärmung der Luft über die Rekuperatoren 6.5 bis 6.7 geleitet und im Beispiel mit einer Temperatur von 50°C über die Rücklaufleitung 5.4 zum Druckwasserspeicher zurück gefahren.
Über das Kreislaufwasser 5 müssen der Druckluft während der Expansion entsprechend dem zur Verfügung stehenden Druckgefälle spezifisch 552 kJ/kg Druckluft Wärme zugeführt werden, wofür bei einer Temperaturdifferenz des Kreislaufwassers 5 von 180 K ein spezifischer Wassermassestrom von 0,732 kg/kg Druckluft erforderlich ist. Somit ergibt sich zwischen Wärmeträgervorlauf 5.3 und dem Rücklauf aus den Rekuperatoren 6.5 bis 6.7 ein Heißwasserüberschuss von spezifisch 0,249 kg/kg Druckluft, der einer externen Nutzung, z. B. einer gestuften Flashdampferzeugung 9 zum Zwecke der Stromerzeugung 10 zugeführt werden kann.
Die spezifische Dichte der Luft beträgt bei einer Temperatur von 50°C unter atmosphärischen Bedingungen bei Normaldruck von 760 mm Hg ca. 1.09 kg/m³ und bei 250 bar ca. 273 kg/m³, was einem spezifischem Speichervolumen von 3,66 m³/1000 kg Druckluft entspricht.
Die technische Ladearbeit der Luftkompressoren 3.1 bis 3.4 zum Befüllen des Druckluftbehälters 7 beträgt bei einem isentropen Wirkungsgrad der Kompressoren von 0,9 und einem Volumen des Druckluftspeichers von 1000 m³ ca. 56.000 kWh brutto, was unter Berücksichtigung der Energierückgewinnung von 6.000 kWh durch die Entspannung des Druckwassers in der Wasserturbine 7.3 während der Beladung des Druckluftspeichers 7 mit Druckluft eine technische Arbeit von netto 50.000 kWh erfordert.
Die Druckluftentspannung kann bei einem isotropen Wirkungsgrad von 0,9 eine technische Arbeit von brutto ca. 42.000 kWh und unter Beachtung des Pumpaufwandes für die Befüllung des Druckluftspeichers 7 mit Wasser von 6.500 kWh eine technische Arbeit von netto 35.500 kWh leisten.
Der Rückgewinnungsgrad errechnet sich somit auf 71%.
Die Abkühlung des für die Erwärmung des Druckgases vor der Expansion nicht benötigten Druckwassermassestromes 9.1 von 0,249 kg/kg Druckluft auf 50°C durch gestufte Flashverdampfung 9 und die Expansion des Flashdampfes 9.3 in einer Sattdampfturbinenanlage 10 ermöglicht eine zusätzliche technische Arbeit von 3.400 kWh, so dass während der Entladung des Druckluftspeichers insgesamt eine technische Arbeit von 38.900 kWh für die Stromerzeugung zur Verfügung steht, was einem Rückgewinnungsgrad der technischen Arbeit von 77,8% ohne Zufeuerung entspricht.
Bezugszeichenliste

1: Strom Zu- und Abführung
2: elektrischer Motor-/Generator
3: Luftkompressor
3.1 bis 3.4: Kompressionsstufen 1 bis 4
4: Druckwasserspeicher mit/ohne pneumatische Druckhaltung
4.1: pneumatische Druckhaltung
4.2: pneumatischer Druckausgleich
4.3: Kaltwasserspeicher
4.4: Heißwasserspeicher
5: Druckwasserkreislauf
5.1: Kaltwasservorlauf für Gaskühlung
5.2: Warmwasserrücklauf aus Gaskühlung
5.3: Warmwasservorlauf für Gasvorwärmung
5.4: Kaltwasserrücklauf aus Gasvorwärmung
6: offener Luftkreislauf
6.1 bis 6.4: Rekuperatoren 1 bis 4 zur Druckluftkühlung
6.5 bis 6.7: Rekuperatoren 1 bis 3 zur Druckluftvorwärmung
6.8: Luftansaugung
6.9: Luftausstoß
7: Druckluftspeicher mit hydraulischer Druckhaltung
7.1: atmosphärisches Wasserbecken
7.2: Druckhaltewasserpumpe bei Druckluftentnahme
7.3: Druckhaltewasserturbine bei Druckluftspeicherung
7.4: Hydraulische Druckhaltung im Druckluftspeicher
8: Luftexpansionsturbine
8.1 bis 8.3: Expansionsstufen
9: gestufte Flashdampferzeugung
9.1: Warmwasserzuführung
9.2: Kaltwasserabführung
10: Sattdampfturbinenanlage mit Elektrogenerator und Abdampfkondensator

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2067942 [0010]

Claims

Verfahren zur Speicherung von Luft und anderen Gasen unter Druck in Druckgasbehältern (7), bei dem die Gasdruckbehälter (7) durch Gaskompression (3) mit Gas beladen und über eine technische Arbeit leistende Gasexpansion (8) entladen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Behälter (7) vor ihrer Beladung mit Gas, mit Wasser oder einer anderen Flüssigkeit (7.4) gefüllt sind, die während des Befüllens der Behälter (7) mit komprimiertem Gas, durch das Gas unter Abgabe von technischer Arbeit (7.3) aus dem Behälter (7) gedrückt und die Flüssigkeit während der Entnahme von Druckgas aus den Behältern (7) in die Behälter (7) bei konstantem oder geregeltem Gasdruck gepumpt (7.2) wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckdifferenzen zwischen dem Eingangs- und Ausgangsgas bei der Gaskompression (3) und Gasexpansion (8) so eingestellt werden, dass die Temperaturdifferenzen des Gases infolge der Gaskompression (3) und -expansion (8) annähernd gleich sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das komprimierte Gas nach jeder Kompressionsstufe (3) durch einen Wärmeträgerkreislauf (5) gekühlt (6.1) und vor jeder Expansionsstufe (8) erwärmt (6.5) wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeträgerkreislauf (5) zu den Kühl- (6.1) und Erwärmungsstufen (6.5) parallel und in den Gasströmen nach der Kompression (3) und Expansion (8) hintereinander geschaltet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Erwärmung des Gases bei der Expansion nicht benötigte fühlbare Wärme des Wärmeträgerkreislaufes (5) einer externen Nutzung oder einer Flashdampferzeugung (9) mit anschließender Nutzung des Flashdampfes (9.3) in einer Dampfturbine (10) oder einer Dampfmaschine zur Stromerzeugung und der durch Flashverdampfung ausgekühlte Wärmeträger und das Flashdampfkondensat dem Wärmeträgerkreislauf (5) wieder zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Vor- und Rücklauf des zur Kühlung und Erwärmung des Druckgases eingesetzten Wärmeträgers in separaten Druckgefäßen (4.3, 4.4) gespeichert werden, deren nicht mit flüssigem Wärmeträger gefüllte Teile, die untereinander pneumatisch verbunden sind, mit Gas (4.3, 4.4), unter einem Druck, der mindestens dem Siededruck des erwärmten Wärmeträgers (4.4) entspricht, beladen werden.
Vorrichtung zur Speicherung von Gasen unter Druck in Druckgasbehältern (7), gekennzeichnet dadurch, dass die Druckgasbehälter (7) mit einer hydraulischen Druckhaltung (7.2, 7.3) für ihre Be- und Entladung mit Druckgas ausgestattet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet dadurch, dass die Druckgasbehälter (7) mit ein- oder mehrstufigen Gaskompressionen (3) und -expansionen (8) gasseitig in Reihe und wärmeträgerseitig parallel geschaltet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaskompression (3) und -expansion (8) rekuperativ mit einem Wärmeträgerkreislauf, der die fühlbare Wärme des komprimierten Gases aufnimmt, das Gas aus dem Druckgasspeicher vor seiner Entspannung erwärmt, den erwärmten bzw. ausgekühlten Wärmeträger wechselseitig einem Wärmeträgerspeicher (4) zuführt und diesem zum Zwecke der Gaserwärmung bzw. -kühlung wieder entnimmt, und mit einer Auskühlung des Wärmeträgers durch Flashverdampfung (9) kombiniert ist.