DE102017000068A1

DE102017000068A1 - Anordnung von pneumatischen Kavernen-Speichern und Verfahren zur Energiespeicherung mittels isothermer Hochdruck-Luftspeicherung in Untertage-Anlagen (Schachtspeicher-Anlagen)

Info

Publication number: DE102017000068A1
Application number: DE102017000068.9A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-08-04
Filing date: 2017-01-05
Publication date: 2018-02-08

Abstract

Die Erfindung betrifft die Anordnung von Hochdruck-Luftspeichern nach Pat.-Anm. 10 2016 006 548.6 und Zusatzpatent 10 2016 008710.2, deren Aufgabe darin besteht, in hoher Kapazität Energie in einem System von Kavernen, Stollen und Schächten aus dem Grubengebäude, nachstehend Kavernen genannt, isotherm unterirdisch zu speichern. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren, um mit Hochleistungs-Verdichtern und zyklischer Umwandlung der Kompressionswärme in Rotation einen mehrstufigen isothermen Verdichtungs- und Speicherprozess zu gewährleisten.

Description

Die Erfindung betrifft die Anordnung von Hochdruck-Luftspeichern nach Pat.-Anm. 10 2016 006 548.6 und Zusatzpatent 10 2016 008710.2, deren Aufgabe darin besteht, in hoher Kapazität Energie in einem System von Kavernen, Stollen und Schächten aus dem Grubengebäude, nachstehend Kavernen genannt, isotherm unterirdisch zu speichern.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren, um mit Hochleistungs-Verdichtern und zyklischer Umwandlung der Kompressionswärme in Rotation einen mehrstufigen isothermen Verdichtungs- und Speicherprozess zu gewährleisten.
Bekannt sind hydropneumatische Kombi-Speicher auf der Basis von Pumpspeicherwerken nach Pat.-Anm. 10 2016 006 548.6.
Bekannt sind weiterhin adiabatische Druckluftspeicher, bei denen die erhitzte Druckluft direkt im Gebirge gespeichert wird (Huntorf, Verfahren ADELE bei Staßfurt).
Jedoch bedingen letztere Verfahren, dass zwar zunächst die Kompressionsluft für die eingesetzten Gasturbinen eingespart wird. Da jedoch letztere wiederum einen Abgasstrom mit ca. 600 grd C erzeugen und damit in etwa einem Temperatur-Niveau entsprechen, die auch beim mehrstufigen Verdichten von Druckluft entsteht, ist aus energetischen Gründen immer ein GuD-Betrieb zu fahren, also mit nachgeschalteten Dampferzeugern und Dampfturbinen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht daher die Einsparung der finanziell und betriebstechnisch aufwendigen Gasturbinen und erhöht gleichzeitig die gebirgsspezifischen Grenzwerte hinsichtlich des Speicherdruckes.
Es können wesentlich höhere Drücke gefahren werden, da die isotherme Druckluft das umgebende Gebirge bei weitem thermisch nicht so beansprucht wie eine adiabate Speicherung. Es kann also ein Druck aufgebaut werden von ca. 200 bar, was die Speicherkapazität in etwa verdoppelt.
Eben dieses Prinzip wird bei vorstehender Erfindung angewendet. Das Basisverfahren ist unter Pat.-Anm. 10 2011 101 569 A1 beschrieben. Dabei wird die Druckluft vorzugsweise mittels Windenergieanlagen gewonnen, wobei die Generatoren durch Primär-Verdichter auf der Rotorenachse ersetzt sind.
Infolge eines mehrstufigen Verdichterprozesses werden beispielsweise bei einer Verdichtung von 1:15 Temperaturen von 984 grd K (711 grd C) sowie 44 bar erzeugt.
Diese hoch erhitzte Druckluft wird einem Dampferzeuger zugeführt, welcher über eine Wälzkolbendampfturbine mit gekuppeltem Sekundärverdichter eine weitere Druckerhöhung bewirkt bei gleichzeitig erneuter Erzeugung von wiederum hoch erhitzter Druckluft, welche erneut zyklisch dem Dampferzeuger zugeführt wird.
Letztlich wird ein abgekühlter („kalter”), jedoch hoch-kapazitativer Fonds an Luft-Hochdruck-Energie gespeichert, welcher mit 200 bar eine speicherintnsive Nutzung auch kleiner Kavernen zuläßt.
Damit ist gleichzeitig ein hoher Wirkungsgrad impliziert.
Die Gewinnung von Rotations-/Elektro-Energie aus der Druckluft erfolgt mittels baugleicher Wälzkolben-Expansionsmaschinen nach dem Prinzip COMPEX.
Geeignete technische Vorkehrungen sind zu treffen, um den nicht unerheblichen Anteil an Expansionskälte und damit verbundener Vereisung der Anlagen zuverlässig zu vermeiden.
Ein Teil der Expansionskälte wird für den Kondensationsprozess des Dampfregimes verbraucht.
In Deutschland ist eine Vielzahl von aufgelassenen Untertage-Schachtanlagen (Zechen) vorhanden.
Allein Nordrhein-Westfalen verfügt über mehrere hundert speicherwürdige Zechen.
Da keinerlei Bedingungen in Bezug auf Wasserreservoires gegeben sind, kann vollumfänglich der gesamte Bestand an druck-resistenten Hohlräumen für die Hochdruck-Luft-Speicherung genutzt werden. Grenzwerte in Bezug auf thermische Beanspruchung bestehen nicht mehr. Es wird sinnvoll sein, mehrere Schachtanlagen direkt mittels Pipelines und/oder mittels elektro-motorisch/generatorischer Kopplung zu einem Speichersystem zu verbinden.
Die Kopplung mehrerer Schachtanlagen schafft wesentlich größere Kapazitäten in Multi-Speicher-Anlagen und erlaubt eine Trennung der einzelnen Medien Wasser und Luft bei getrenntem oder kombiniertem Speicher-Betrieb.
Darüber hinaus kann bei geografischer und geologischer Gegebenheit die Kapazität von Untertage-Speichern enorm vergrößert werden. Durch das Fehlen jeglichen Einsatzes von Wasser für die erfindungsgemäße Energiespeicherung sind letztlich auch keine Grenzen in Bezug auf eine beliebige Zuschaltung von pneumatischen Speichern gesetzt.
Durch Zuordnung von druckluft-basierten Windenergie-Anlagen werden somit weitere Regionen zur hochkapazitativen Energie-Gewinnung und -Speicherung aktiviert.

Claims

Anordnung von unterirdischen großvolumigen Druckluftspeichern, vorzugsweise in aufgelassenen Bergwerksbereichen und sonstigen unterirdischen Räumen, vorzugsweise in Kavernen, Schächten und Stollen als Bestandteil eines Grubengebäudes zur Speicherung von Druckluft.
Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass mehrere räumlich voneinander getrennte Schachtspeicher-Anlagen als System-Anlagen technologisch mittels Pipelines und/oder elektromotorisch/-generatorischer Energiesysteme verbunden werden.
Anordnung von Windenergieanlagen mit axialen gekuppelten Primär-Verdichtern in der Nähe von Schacht-Speicher-Anlagen.
Anordnung von Wärmetauschern/Dampferzeugern im Bereich der Windenergieanlagen mit nachgeschalteten Dampfturbinen und Sekundärverdichtern.
Verfahren nach 1 und 3, gekennzeichnet dadurch, dass in den Hohlräumen des Grubengebäudes unter Beachtung thermisch-geologischer Bedingungen große Mengen hochverdichteter, jedoch abgekühlter isothermer Druckluft gespeichert werden.
Verfahren nach Anspruch 4 und 5, gekennzeichnet dadurch, dass die zunächst stark erhitzte Druckluft einem Wärmetauscher/Dampferzeuger zugeführt und zur Erzeugung von Dampf genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, dass durch den Dampf eine Dampfturbine betrieben wird, welche mit einem Sekundär-Verdichter und/oder einem Elektro-Generator gekuppelt ist, wobei durch den Sekundärverdichter der Luftdruck um eine oder mehrere Druckstufen angehoben werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Einspeisung der gespeicherten Hochdruck-Luft-Energie in das Energienetz vorzugsweise vermittels von Wälzkolben-Expansionsmaschinen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2 und 7, gekennzeichnet dadurch, dass durch die Kopplung von mehreren Schachtanlagen eine hohe Kapazität sowie eine entsprechend den Bedarfsanforderungen angepasste flexible Fahrweise des Gesamtsystems ermöglicht wird.
Verfahren nach Anspruch 2 und 7, gekennzeichnet dadurch, dass durch die Kopplung von mehreren Schachtanlagen sektions- bzw. schachtweise reine Trockenluft- und/oder kombinierte Druckluft-Wasser-Verfahren angewendet werden können.