DE102018002198A1 - Verfahren sowie Druckspeicheranlage zur Speicherung und Bereitstellung von elektrischer Energie - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Speicherung und Bereitstellung von elektrischer Energie, mit einem Speicher-Prozessschritt, bei dem elektrische Energie in einem elektrisch betriebenen Druckluft-Kompressionsvorgang in, in zumindest einem Druckbehälter (39) gespeicherte Druckluftenergie umgewandelt wird, und mit einem Bereitstellungs-Prozessschritt, bei dem im Bedarfsfall mittels der im Druckbehälter (39) gespeicherten Druckluftenergie in einem Dekompressionsvorgang einen Druckluftmotor (43) angetrieben wird, der über einen elektrischen Generator (44) elektrische Energie bereitstellt. Erfindungsgemäß wird zur Effizienz-Steigerung im Speicher-Prozessschritt die im Kompressionsvorgang entstehende Wärme in einem Heizsystem (1) zwischengespeichert. Im Bereitstellungs-Prozessschritt wird dem Druckluftmotor (43) eine im Heizsystem (1) zwischengespeicherte Wärme zugeführt, um eine Betriebstemperatur des Druckluftmotors (43) zu erhöhen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Speicherung und Bereitstellung von elektrischer Energie nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Druckspeicheranlage gemäß Anspruch 5. Das Verfahren und die Druckspeicheranlage sind insbesondere in ein Heizsystem eines Wohngebäudes integrierbar, etwa einem Energiesparhaus bzw. Niedrigenergiehaus.
  • In einem pneumatischen Anwendungsfall dient eine Druckspeicheranlage als Energiespeicher, sofern zum Beispiel ein Stromversorger mehr Strom produziert als verbraucht wird. In diesem Fall wird mittels der überschüssigen elektrischen Energie Luft unter Druck in einen Druckspeicher, das heißt einen Druckbehälter, gepumpt. Bei Strombedarf wird mittels der gespeicherten Druckluft eine Druckluft-Motor-/Getriebeeinheit angetrieben, mittels elektrischer Strom produziert wird. Dieser kann gegebenenfalls in ein öffentliches Stromversorgungsnetz eingespeist werden oder für einen elektrischen Verbraucher genutzt werden.
  • Ein gattungsgemäßes Verfahren zur Speicherung und Bereitstellung von elektrischer Energie weist einen Speicher-Prozessschritt und einen Bereitstellungs-Prozessschritt auf. Im Speicher-Prozessschritt wird elektrische Energie in einem elektrisch betriebenen Druckluft-Kompressionsvorgang in, in zumindest einem Druckbehälter gespeicherte Druckluftenergie umgewandelt.
  • Sofern ein Strombedarf vorliegt, erfolgt der Bereitstellungs-Prozessschritt, bei dem mit Hilfe der im Druckbehälter gespeicherten Druckluftenergie in einem Dekompressionsvorgang ein Druckluftmotor angetrieben wird, der als elektrischer Generator arbeitet und daher elektrische Energie bereitstellt. Die Umwandlung der für den Kompressionsvorgang erforderlichen elektrischen Energie in die Druckenergie sowie die Rück-Umwandlung der Druckluftenergie in elektrische Energie ist im Stand der Technik mit einem vergleichsweise hohen Energieverlust verbunden, wodurch sich ein entsprechend geringer Gesamt-Wirkungsgrad bei der Speicherung und Bereitstellung von elektrischer Energie ergibt.
  • Aus der DE 10 2014 119 686 A1 ist eine Anlage bekannt, die in Kombination aus einem Dampfkraftwerk und einem Druckspeicherkraftwerk aufgebaut ist. Das Druckspeicherkraftwerk weist einen rekuperativen Abhitzedampferzeuger auf. Aus der DE 10 2011 118 486 B4 ist ein Druckluft-Speicherkraftwerk bekannt, mit dem zeitlich schwankend zur Verfügung stehende Elektrizität aus Windkraftanlagen und/oder Photovoltaikanlagen gespeichert werden kann. Aus der DE 2014 008 331 B3 ist ein Kompressor zum Befüllen eines Druckbehälters mit Druckluft bekannt. Die bei einem Kompressionsvorgang entstehende Abwärme des Kompressors wird über einen Wärmetauscher abgeführt.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Anlage zur Speicherung und Bereitstellung von elektrischer Energie bereitzustellen, die im Vergleich zum Stand der Technik eine energieeffizientere Speicherung und Bereitstellung von elektrischer Energie ermöglicht.
  • Die Aufgabe ist durch die Merkmale der nebengeordneten Ansprüche 1 und 5 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
  • Die Erfindung beruht auf der Problematik, dass im Stand der Technik beim Kompressionsvorgang hohe Energieverluste auftreten. In gleicher Weise treten auch bei der Rück-Umwandung der Druckluftenergie in elektrische Energie (das heißt beim Dekompressionsvorgang) hohe Energieverluste auf. Vor diesem Hintergrund wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 die Speicherung und Bereitstellung von elektrischer Energie wie folgt mit erhöhter Energieeffizienz (bzw. Wirkungsgrad) durchgeführt: Im Speicher-Prozessschritt wird die während des Kompressionsvorganges anfallende Abwärme in einem Heizsystem zwischengespeichert. Demgegenüber wird im Bereitstellungs-Prozessschritt dem Druckluftmotor eine im Heizsystem zwischengespeicherte Wärme zugeführt, um die Betriebstemperatur des Druckluftmotors während des Dekompressionsvorganges zu erhöhen. Auf diese Weise wird die im Dekompressionsvorgang anfallende (sich negativ auf den Wirkungsgrad auswirkende) Kälteleistung reduziert und gleichzeitig die Rück-Umwandlung von Druckluftenergie in elektrische Energie energetisch günstiger gestaltet, wodurch insgesamt die Energieeffizienz zur Speicherung und Bereitstellung von elektrischer Energie erhöht wird.
  • Der Speicher-Prozessschritt und der Bereitstellungs-Prozessschritt können einander zumindest teilweise zeitlich überlappen oder in etwa gleichzeitig erfolgen. Alternativ dazu können die beiden Prozessschritte auch zeitlich unabhängig voneinander durchgeführt werden.
  • In einer technischen Umsetzung kann im Heizsystem nicht nur die beim Kompressionsvorgang anfallende Abwärme zwischengespeichert werden, sondern kann das Heizsystem zusätzlich auch eine Solaranlage und/oder eine Erdwärmeanlage aufweisen. In diesem Fall können alternativ und/oder zusätzlich zu der obigen Kompressor-Abwärme auch Erdwärme und/oder aus Solarenergie gewonnene Wärme im Heizsystem zwischengespeichert werden. Die Zwischenspeicherung im Heizsystem erfolgt bevorzugt in einem Wassertank (etwa ein 10001-Tank), der beispielhaft in einem Gebäude-Keller angeordnet sein kann. Zusätzlich kann eine Gebäude- oder Wohnungsheizung und/oder eine Warmwasser-Erzeugung Bestandteil des Heizsystems sein.
    Die obigen Prozessschritte zur Speicherung und Bereitstellung von elektrischer Energie können mittels einer nachfolgend beschriebenen Druckspeicheranlage realisiert werden. Die Druckspeicheranlage kann eine Druck-Ladestation und eine Druck-Entladestation aufweisen. In der Druck-Ladestation kann (zur Durchführung des Speicher-Prozessschrittes) ein elektrisch antreibbarer Kompressor den Druckbehälter mit Druckluft befüllen, wodurch elektrische Energie in, im Druckbehälter gespeicherte Druckluftenergie umgewandelt wird. Der Bereitstellungs-Prozessschritt erfolgt in der Druck-Entladestation, in der ein Druckluftmotor angeordnet ist, der mit Hilfe der im Druckbehälter gespeicherten Druckluft angetrieben wird und als Generator die Druckluftenergie in elektrische Energie umwandelt. Diese wird für einen elektrischen Verbraucher bereitgestellt und/oder in ein Stromversorgungsnetz eingespeist.
  • In einer konkreten Ausführungsvariante kann der Kompressor in thermischer Verbindung mit einem Kompressor-Wärmetauscher sein. Dieser kann Bestandteil eines Kompressor-Kühlkreislaufes des Heizsystems sein, der kältemittel- bzw. kühlmitteldurchströmt ist. Alternativ und/oder zusätzlich kann der in der Druck-Entladestation angeordnete Druckluftmotor in thermischer Verbindung mit einem Druckluftmotor-Wärmetauscher sein. Dieser kann Bestandteil eines Druckluftmotor-Heizkreislaufes des Heizsystems sein. Der Kompressor-Kühlkreislauf und/oder der Druckluftmotor-Heizkreislauf können jeweils einen Wärme-Zwischenspeicher aufweisen, in dem die Kompressor-Abwärme zwischengespeichert werden kann bzw. Wärme zur Erhitzung des Druckluftmotors abgegeben werden kann. Bevorzugt ist sowohl dem Kompressor-Kühlkreislauf als auch dem Druckluftmotor-Heizkreislauf ein gemeinsamer Wärme-Zwischenspeicher (das heißt Wassertank) zugeordnet.
  • Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen der Erfindung können - außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen - einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.
  • Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand der Figur näher erläutert.
  • In der Figur ist in grob schematischer Darstellung eine in einem Gebäude-Heizsystem 1 integrierte Druckspeicheranlage 7 angedeutet. Das in der Figur gezeigte Heizsystem 1 ist als schematisches Blockschaltdiagramm nur insoweit dargestellt, als es für das Verständnis der Erfindung erforderlich ist. Demzufolge ist in dem Gebäude-Heizsystem 1 beispielhaft eine Solaranlage 3, eine Erdwärmeanlage 5 und eine Druckspeicheranlage 7 integriert. Die Solaranlage 3 weist einen kühlmittel- oder kältemitteldurchströmten Solaranlagen-Kreislauf 9 auf, in den Solarmodule 11 sowie eine Solar-Steuerstation 13 und ein Solaranlagen-Wärmetauscher 15 geschaltet sind. Dieser ist in thermischer Verbindung mit einem als Wärme-Zwischenspeicher wirkenden Wassertank 17 des Heizsystems 1. Mittels der Solaranlagen-Steuerstation 13 ist die von den Solarmodulen 11 in den Wassertank 17 eingetragene Wärmemenge einstellbar.
  • Die Erdwärmeanlage 5 weist einen kältemittel- bzw. kühlmitteldurchströmten Erdwärme-Kreislauf 18 auf, in den wärmeübertragende Rohre 19, die in einer Tiefenbohrung im Erdreich verlegt sind, sowie eine Erdwärme-Steuerstation 21 und ein Erdwärme-Wärmetauscher 23 geschaltet sind, der in thermischer Verbindung mit dem Wassertank 17 des Heizsystems 1 ist. Zudem ist eine Gebäudeheizung 2 im Heizsystem 1 integriert, die einen Heizungs-Kreislauf 27 aufweist. Im Heizungs-Kreislauf 27 ist eine Heizungs-Steuereinheit 29 und ein Heizungs-Wärmetauscher 31 geschaltet, der in thermischer Verbindung mit dem Wassertank 17 des Heizsystems 1 ist.
  • Wie aus der 1 weiter hervorgeht, ist dem Heizsystem 1 eine Druckspeicheranlage 7 zugeordnet. Diese weist eine Druck-Ladestation 33 mit einem elektrisch arbeitenden Kompressor 35 auf, der druckseitig über eine Druckleitung 37 mit einem Druckbehälter 39 in Verbindung ist und saugseitig mit der Umgebungsluft in Verbindung ist. Zudem ist eine Druck-Entladestation 41 vorgesehen, in der eine Druckluftmotor-Generator-Einheit 43 angeordnet ist. Der Druckluftmotor 43 ist saugseitig über eine Versorgungsleitung 45 am Druckbehälter 39 angeschlossen und mündet druckseitig in die Umgebung. Zudem ist dem Druckluftmotor 43 ein elektrischer Generator 44 zugeordnet, der bei einem später beschriebenen Dekompressionsvorgang vom Druckluftmotor 43 angetrieben wird, um elektrische Energie zu erzeugen.
  • Dem Kompressor 35 der Ladestation 33 ist ein Kompressor-Wärmetauscher 45 zugeordnet, auf den eine im Kompressorbetrieb generierte Abwärme ableitbar ist. Der Kompressor-Wärmetauscher 45 ist Bestandteil eines kühl- oder kältemitteldurchströmten Kühlkreislaufes 47. In den Kühlkreislauf 47 ist eine Kühl-Steuerstation 49 sowie ein Wärmetauscher 51 geschaltet, der in thermischer Verbindung mit dem Wassertank 17 des Heizsystems 1 ist. Mittels der Kühl-Steuerstation 49 kann eine vom Kompressor 35 in den Wassertank 17 eingeleitete Abwärme (Qab ) eingestellt werden. In gleicher Weise ist auch dem Druckluftmotor 43 ein Motor-Wärmetauscher 53 vorgesehen, über den der Druckluftmotor 43 im Dekompressionsbetrieb durch Wärmezufuhr Qzu erwärmbar ist. Der Motor-Wärmetauscher 53 ist Bestandteil eines Heizkreislaufes 55, in dem eine Heiz-Steuerstation 57 sowie ein Heiz-Wärmetauscher 59 geschaltet sind, der in thermischer Verbindung mit dem Wassertank 17 des Heizsystems 1 ist. Mittels der Heiz-Station 57 kann die vom Wassertank 17 in den Druckluftmotor 43 eingetragene Heizleistung eingestellt werden.
  • Die Steuerstationen 13, 21, 29, 49, 57 sind in Signalverbindung (in der Figur teilweise mit gestrichelter Linie angedeutet) mit einem Heizsystem-Steuergerät 59. Das Heizsystem-Steuergerät 59 erfasst diverse Eingangsparameter, auf deren Grundlage unter anderem ermittelt wird, ob ein Bedarf zur Stromspeicherung und/oder ein Bedarf zur Strombereitstellung vorliegen.
  • Sofern in dem Heizsystem-Steuergerät 59 das Vorliegen eines Speicherbedarfes ermittelt ist, wird die Ladestation 33 angesteuert. In diesem Fall wird der Kompressor 35 elektrisch angetrieben, um den Druckbehälter 39 mit Druckluft zu befüllen, und zwar unter Umwandlung von elektrischer Energie in Druckluftenergie, die im Druckbehälter 39 gespeichert ist. Die im Kompressionsvorgang entstehende Abwärme Qab wird über den Kühlkreislauf 47 im Wassertank 17 des Heizsystems 1 zwischengespeichert.
  • Sofern im Heizsystem-Steuergerät 59 das Vorliegen eines Strombedarfs vorliegt ermittelt ist, erfolgt ein Bereitstellungs-Prozessschritt, bei dem die Entladestation 41 aktiviert wird. In diesem Fall wird mittels der im Druckbehälter 39 gespeicherten Druckluftenergie in einem Dekompressionsvorgang der Druckluftmotor 43 angetrieben, der trieblich mit dem Generator 44 verbunden ist. Auf diese Weise wird im Generator 44 elektrische Energie produziert, die zum Beispiel in ein öffentliches Stromversorgungsnetz eingespeist werden kann.
  • Während des Dekompressionsvorganges wird im Druckluftmotor 43 eine Kälteleistung erzeugt, die zu einer starken Reduzierung der Betriebstemperatur des Druckluftmotors 43 führt, die mit einem reduzierten Motor-Wirkungsgrad einhergeht. Zur Steigerung des Motor-Wirkungsgrades steuert das Heizsystem-Steuergerät 59 die Heiz-Steuerstation 57 an, um über den Heiz-Kreislauf 55 zwischengespeicherte Wärme (Qzu ) vom Wassertank 17 über den Motor-Wärmetauscher 53 dem Druckluftmotor 43 zuzuführen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Heizsystem
    2
    Gebäudeheizung
    3
    Solaranlage
    5
    Erdwärmeanlage
    7
    Druckspeicheranlage
    9
    Solaranlagen-Kreislauf
    11
    Solarmodule
    13
    Solaranlagen-Steuerstation
    15
    Solaranlagen-Wärmetauscher
    17
    Wassertank
    18
    Erdwärme-Kreislauf
    19
    wärmeübertragende Rohre
    21
    Erdwärme-Steuerstation
    23
    Erdwärme-Wärmetauscher
    27
    Gebäudeheizung-Kreislauf
    29
    Gebäudeheizung-Steuerstation
    31
    Gebäudeheizung-Wärmetauscher
    33
    Ladestation
    35
    Kompressor
    37
    Druckleitung
    39
    Druckbehälter
    41
    Entladestation
    43
    Druckluftmotor
    44
    Generator
    45
    Kompressor-Wärmetauscher
    47
    Kühlkreislauf
    49
    Kühl-Steuerstation
    51
    Kühl-Wärmetauscher
    53
    Motor-Wärmetauscher
    55
    Heiz-Kreislauf
    57
    Heiz-Steuerstation
    59
    Heizsystem-Steuergerät
    Qzu
    Wärmezufuhr
    Qab
    Wärmeabfuhr
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102014119686 A1 [0005]
    • DE 102011118486 B4 [0005]
    • DE 2014008331 B3 [0005]

Claims (9)

  1. Verfahren zur Speicherung und Bereitstellung von elektrischer Energie, mit einem Speicher-Prozessschritt, bei dem elektrische Energie in einem elektrisch betriebenen Druckluft-Kompressionsvorgang in, in zumindest einem Druckbehälter (39) gespeicherte Druckluftenergie umgewandelt wird, und mit einem Bereitstellungs-Prozessschritt, bei dem im Bedarfsfall mittels der im Druckbehälter (39) gespeicherten Druckluftenergie in einem Dekompressionsvorgang einen Druckluftmotor (43) angetrieben wird, der über einen elektrischen Generator (44) elektrische Energie bereitstellt, dadurch gekennzeichnet, dass zur Effizienz-Steigerung der Speicherung und Bereitstellung von elektrischer Energie im Speicher-Prozessschritt die im Kompressionsvorgang entstehende Wärme in einem Heizsystem (1) zwischengespeichert wird, und dass im Bereitstellungs-Prozessschritt dem Druckluftmotor (43) im Heizsystem (1) zwischengespeicherte Wärme zugeführt wird, um eine Betriebstemperatur des Druckluftmotors (43) zu erhöhen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Heizsystem (1) Erdwärme, Umgebungswärme und/oder aus Solarenergie gewonnene Wärme zwischengespeichert wird, und dass insbesondere die Wärme im Heizsystem (1) in zumindest einem Wassertank (17) des Heizsystems (1) zwischengespeichert wird.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizsystem (1) für eine Gebäude- und/oder Wohnungsheizung (2) genutzt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher-Prozessschritt und der Bereitstellungs-Prozessschritt einander zumindest teilweise zeitlich überlappend und/oder zeitlich unabhängig voneinander durchführbar sind.
  5. Anlage zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einer Druck-Ladestation (33), die zumindest einen elektrisch arbeitender Kompressor (35) aufweist, mit dem ein Druckbehälter (39) mit Druckluft befüllbar ist, und zwar unter Umwandlung von elektrischer Energie in, im Druckbehälter (39) gespeicherte Druckluftenergie, und mit einer Druck-Entladestation (41), in der ein Druckluftmotor (43) angeordnet ist, der mittels der im Druckbehälter (39) gespeicherten Druckluft antreibbar ist und über einen Generator (44) die Druckluftenergie in elektrische Energie umwandelt, die für elektrische Verbraucher bereitstellbar ist und/oder in ein Stromversorgungsnetz einspeisbar ist.
  6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor (35) in thermischer Verbindung mit einem Kompressor-Wärmetauscher (45) ist, und dass der Kompressor-Wärmetauscher (45) Bestandteil eines Kompressor-Kühlkreislaufes (47) des Heizsystems (1) ist, und/oder dass der Druckluftmotor (43) in thermischer Verbindung mit einem Druckluftmotor-Wärmetauscher (53) ist, und dass der Druckluftmotor-Wärmetauscher (43) Bestandteil eines Heizkreislaufes (55) des Heizsystems (1) ist.
  7. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kompressor-Kühlkreislauf (47) und/oder in den Druckluftmotor-Heizkreislauf (55) jeweils ein Wärme-Zwischenspeicher geschaltet ist, insbesondere ein gemeinsamer Wärme-Zwischenspeicher (17) geschaltet ist.
  8. Anlage nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizsystem (1) eine Solaranlage (3) aufweist, die über einen Solaranlagen-Kreislauf (9) strömungstechnisch mit dem Wärme-Zwischenspeicher (17) verbunden ist, und/oder das Heizsystem (1) eine Erdwärmeanlage (5) aufweist, die über einen Erdwärme-Kreislauf (18) strömungstechnisch mit dem Wärme-Zwischenspeicher (17) verbunden ist.
  9. Anlage nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizsystem (1) Bestandteil einer Gebäude- oder Wohnungsheizung (2) und/oder Warmwasser-Versorgung ist.
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