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Die Erfindung betrifft einen Speichergenerator für Energie sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Speichergenerators für Energie.
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Zur Gewinnung von elektrischer Energie aus regenerativen Quellen bedarf es des Vorliegens bestimmter Wetterverhältnisse. So ist beispielhaft Windenergie nur bei hinreichender Windgeschwindigkeit und Solarenergie nur bei hinreichender Sonneneinstrahlung erzeugbar. Um bei Bedarf wetterunabhängig zur Verfügung zu stehen, muss die erzeugte elektrische Energie zwischengespeichert werden. Hierzu sind beispielsweise Druckluftspeicherkraftwerke bekannt. Dabei wird zu Zeiten hoher Energieverfügbarkeit mittels Kompressoren Luft in einem Volumenkörper komprimiert. Zu Zeiten mit hohem Energiebedarf erfolgt die Einleitung der zuvor gespeicherten Druckluft in eine Turbine, sodass mittels eines gekoppelten Generators elektrische Energie erzeugt wird.
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Bei Druckluftspeicherkraftwerken tritt der Effekt auf, dass die gespeicherte komprimierte Luft bei deren Entspannung vor der Einleitung in die Turbine stark abkühlt, sodass die Gefahr der Vereisung der Turbine und somit des Ausfalls von Turbine und Generator besteht. Um dies zu verhindern, ist es bekannt, der entspannten kalten Luft ein Brenngas, insbesondere Erdgas, beizumischen und das Gasgemisch vor dem Einströmen in die Turbine zu zünden. Dies ist mit den Nachteilen verbunden, dass Erdgas verbraucht wird, zusätzliche aufwändige Anlagen notwendig sind und Abgase entstehen. Weiterhin ist es zur Verhindern der Vereisung der Turbine bekannt, die bei der Kompression der zu speichernden Luft freiwerdende Wärmeenergie in einem separaten Wärmespeicher zwischenzuspeichern und der entspannten kalten Luft vor dem Einströmen in die Turbine wieder zuzuführen. Auch hierfür sind zusätzliche aufwändige Anlagen notwendig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Speichergenerator aufzuzeigen, bei dem eine Vereisung der Turbine mit einfachen Mitteln verhindert wird.
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Die Aufgabe wird gelöst mit dem im Anspruch 1 angegebenen Speichergenerator sowie dem in Anspruch 13 angegebenen Verfahren. Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Der gemäß der Erfindung ausgeführte Speichergenerator für Energie weist auf einen ersten und zweiten Pendelspeicher mit einer Arbeitsflüssigkeit, welche mit einer Pendelleitung für die Arbeitsflüssigkeit verbunden sind, einen Speicher für Druckluft, welche jeweils über eine erste bzw. zweite Vorlaufleitung dem ersten bzw. zweiten Pendelspeicher zuführbar ist, und eine Turbinen-Generator-Einheit in der Pendelleitung zur Erzeugung von elektrischer Energie bei abwechselnder Verdrängung der Arbeitsflüssigkeit zwischen den Pendelspeichern durch die Pendelleitung mittels der Druckluft.
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Die Arbeitsflüssigkeit ist annähernd vollständig in einem Pendelspeicher angeordnet. Die Pendelspeicher sind mit dem Speicher für Druckluft über jeweils eine Vorlaufleitung, über welche Druckluft in die Pendelspeicher einleitbar ist, verbunden. Die Pendelspeicher sind untereinander über die Pendelleitung verbunden, durch welche die Arbeitsflüssigkeit von einem in den anderen Pendelspeicher strömen kann. Zumindest die Turbine der Turbinen-Generator-Einheit in der Pendelleitung ist ebenfalls durch die Arbeitsflüssigkeit durchströmbar.
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Zur Erzeugung von elektrischer Energie erfolgt in einem ersten Pendeltakt die Einleitung von Druckluft aus dem Speicher durch die jeweilige Vorlaufleitung in den Pendelspeicher, in dem die Arbeitsflüssigkeit angeordnet ist. Diese wird durch die Druckluft aus dem Pendelspeicher durch die Pendelleitung und zumindest die Turbine der Turbinen-Generator-Einheit in den zweiten Pendelspeicher verdrängt. Dabei wird die Turbine durch die Strömung der Arbeitsflüssigkeit in Rotation versetzt, so der Generator angetrieben und elektrische Energie erzeugt.
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In einem anschließenden zweiten Pendeltakt erfolgt die Einleitung von Druckluft durch die jeweilige Vorlaufleitung in den Pendelspeicher, in den die Arbeitsflüssigkeit verdrängt wurde. Die Arbeitsflüssigkeit wird durch die Druckluft aus dem Pendelspeicher durch die Pendelleitung und zumindest die Turbine zurück in den Pendelspeicher, in dem diese vor Beginn des ersten Pendeltakts angeordnet war, verdrängt. Auch dabei wird die Turbine durch die Strömung der Arbeitsflüssigkeit in Rotation versetzt, sodass der Generator angetrieben ist und elektrische Energie erzeugt wird.
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Dieser zyklisch getaktete Ablauf des pendelnden Verdrängens der Arbeitsflüssigkeit zwischen den Pendelspeichern kann abhängig von der Masse der gespeicherten Druckluft annähernd beliebig oft durchgeführt werden. Besonders vorteilhaft wird dabei die Arbeitsflüssigkeit annähernd vollständig zwischen den Pendelspeichern verdrängt.
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Ein gemäß der Erfindung ausgeführter Speichergenerator weist eine Reihe von Vorteilen auf. So wirkt während der Verdrängung der Arbeitsflüssigkeit die Druckluft auf die Arbeitsflüssigkeit ein und wird nicht unmittelbar in die Turbine eingeleitet. Die Arbeitsflüssigkeit weist dabei trotz Abkühlung der entspannten Druckluft eine annähernd konstante Temperatur auf. Außerdem sind somit aufwändige, zusätzliche Anlagen zur Erwärmung der Druckluft vor Einleitung in die Turbine nicht notwendig. Es wird so besonders vorteilhaft die Gefahr des Vereisens der Turbinen-Generator-Einheit mit einfachen Mitteln reduziert.
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Weiterhin weist die Arbeitsflüssigkeit bei Einleitung in die Turbine einen größeren Massestrom als Druckluft und somit eine bessere Impulsübertragung auf die Turbine auf. Es wird so vorteilhaft die Energieübertragung auf die Turbine und somit die Effizienz bei der Erzeugung von elektrischer Energie verbessert.
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Außerdem ist ein erfindungsgemäßer Speichergenerator mit vielfältig dimensionierten Speichern herstellbar und so vorteilhaft auf eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungsfälle skalierbar.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung weist der Speichergenerator vorteilhaft eine erste bzw. zweite Rücklaufleitung auf, worüber jeweils der erste bzw. zweite Pendelspeicher mit dem Speicher verbunden ist. Nach Verdrängung der Arbeitsflüssigkeit aus einem Pendelspeicher ist dieser mit komprimierter Luft gefüllt. Diese bereits vorkomprimierte Luft ist mittels der Rücklaufleitungen in den Speicher rückführbar, sodass der Anteil von in den Speicher einzuleitender unkomprimierter Luft reduziert ist. Es ist so vorteilhaft der Aufwand bei der Einleitung von Druckluft in den Speicher reduziert. Durch Rückführung dieser vorkomprimierten Luft wird eine besonders hohe Effizienz und Energieausnutzung erreicht.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung weist der Speichergenerator vorteilhaft einen Kompressor zur Einleitung von Druckluft in den Speicher auf. Es kann so vorteilhaft Luft in den Speicher eingeleitet und dieser nach der Ausströmung von Druckluft zur Verdrängung der Arbeitsflüssigkeit aus einem Pendelspeicher wieder mit Druckluft aufgefüllt werden. Es wird so vorteilhaft insbesondere ein Austausch eines annähernd von Druckluft entleerten Speichers durch einen befüllten Speicher vor einem erneuten Pendeltakt vermieden.
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Weiterhin kann der Speichergenerator vorteilhaft eine Einrichtung zur Erzeugung regenerativer Energie zum Betrieb des Kompressors aufweisen. Bei dieser besonders vorteilhaften Ausführung erfolgt der Antrieb des Kompressors mit Energie, die mittels regenerativen Quellen, wie z.B. Wind- oder Solarenergie, erzeugt wird. Es wird so vorteilhaft der Verbrauch von elektrischer Energie aus einem öffentlichen Versorgungsnetz reduziert und somit besonders vorteilhaft die autarke Erzeugung von Druckluft und Speicherung von Energie ermöglicht.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung sind die erste, zweite Rücklaufleitung vor dem Kompressor zu einer Ansaugleitung zusammengeführt. Der Kompressor weist somit auf dessen Ansaugseite nur eine gemeinsame Zuleitung auf. Es wird so vorteilhaft der Aufwand zur Herstellung und Installation des Kompressors reduziert.
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Dabei kann die Ansaugleitung vorteilhaft ein Rückschlagventil zur Ansaugung von Umgebungsluft aufweisen. Dies ermöglicht das Nachsaugen von Umgebungsluft und somit den Ausgleich von aus dem System während der Pendeltakte verdrängter Luft mit niedrigem Druck. Der Speicher weist somit jeweils vor einem Pendeltakt eine annähernd konstante Masse von Druckluft auf, sodass jeweils ausreichend Druckluft zur annähernd vollständigen Verdrängung der Arbeitsflüssigkeit verfügbar ist. Es wird so vorteilhaft die Gefahr einer schleichenden Abnahme der in einem Pendeltakt erzeugbaren Menge elektrischer Energie reduziert.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung weist der Speichergenerator ein erstes, zweites Entlüftungsventil am ersten, zweiten Pendelspeicher auf. Diese ermöglichen beim Einströmen der Arbeitsflüssigkeit in einen Pendelspeicher das Austreten der in den Pendelspeichern vorhandenen Luft. Es wird so vorteilhaft während eines Pendeltakts die Bildung eines Staudrucks im Pendelspeicher verhindert und somit vorteilhaft das Einströmen der Arbeitsflüssigkeit in den Pendelspeicher erleichtert.
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Dabei kann das erste bzw. zweite Entlüftungsventil vorteilhaft jeweils an der ersten bzw. zweiten Rücklaufleitung des ersten bzw. zweiten Pendelspeichers angeordnet sein. Die Entlüftungsventile sind somit nicht unmittelbar an den Pendelspeichern angeordnet. Die von der einströmenden Arbeitsflüssigkeit verdrängte Luft tritt über die Rücklaufleitung aus dem Entlüftungsventil aus. Es wird so vorteilhaft die Gefahr eines unerwünschten Austretens von Arbeitsflüssigkeit durch die Entlüftungsventile reduziert.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist die Turbinen-Generator-Einheit mit einem Versorgungsnetz zur Einspeisung erzeugter elektrischer Energie verbunden. Das Versorgungsnetz kann ein dezentrales Nahversorgungsnetz, insbesondere ein kommunales Stromnetz, oder ein zentrales Binnennetz, insbesondere das Installationsnetz eines Einfamilienhauses, sein. Es wird so vorteilhaft die unmittelbare Verwertbarkeit von erzeugter elektrischer Energie ermöglicht.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist die Turbinen-Generator-Einheit mit einem Speicher für elektrische Energie verbunden. Es erfolgt so vorteilhaft eine Zwischenspeicherung der erzeugten elektrischen Energie. Der Speicher für elektrische Energie kann beispielhaft eine geringe Kapazität aufweisen, die in der Art eines Puffers während eines Pendeltaktes zur Aufnahme von Energie und zwischen den Pendeltakten, wenn die Arbeitsflüssigkeit nicht durch die Turbinen-Generator-Einheit strömt, zur Abgabe von elektrischer Energie geeignet ist. Dabei wird vorteilhaft eine kontinuierliche Energieabgabe eines erfindungsgemäßen Speichergenerators erzielt.
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Der Speicher für elektrische Energie kann beispielhaft eine große Kapazität aufweisen, die zum längeren Betrieb einer elektrischen Vorrichtung geeignet ist. Der Speicher für elektrische Energie kann insbesondere ein Akku zum Betrieb eines Elektrofahrzeugs sein. Es wird so vorteilhaft die Verfügbarkeit von mittels des erfindungsgemäßen Speichergenerators erzeugter elektrischer Energie verbessert sowie deren vielfältige Anwendung verbessert.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung weist der Speichergenerator Wasser als Arbeitsflüssigkeit auf. Wasser ist schnell und kostengünstig verfügbar und ist ökologisch unbedenklich. Es wird vorteilhaft so der Einsatz von öligen Flüssigkeiten vermieden und so die Gefahr einer Kontamination der Umwelt durch austretende Arbeitsflüssigkeit reduziert.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung weist der Speichergenerator geologische Kavernen als Speicher, erstem und/oder zweitem Pendelspeicher auf. Speicher und/oder Pendelspeicher weisen somit ein besonders großes Volumen auf. Es ist somit beispielhaft möglich, bei einer unterirdischen Kaverne als Speicher für Druckluft besonders viele Pendelzyklen zu absolvieren bevor Druckluft in den Speicher zurückzuleiten ist. Weiterhin ist es beispielhaft möglich, mit unterirdischen Kavernen als erster, zweiter Pendelspeicher Pendelzyklen mit besonders langer Dauer zu absolvieren. Es wird so vorteilhaft die Menge der erzeugbaren elektrischen Energie erhöht.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines gemäß der Erfindung ausgeführten Speichergenerators wird die Arbeitsflüssigkeit zur Erzeugung elektrischer Energie in einem ersten Pendeltakt mittels Druckluft aus dem ersten Pendelspeicher durch Pendelleitung und Turbinen-Generator-Einheit in den zweiten Pendelspeicher, und in einem zweiten Pendeltakt mittels Druckluft durch Pendelleitung und Turbinen-Generator-Einheit wieder zurück in den ersten Pendelspeicher verdrängt. Das erfindungsgemäße Verfahren weist dieselben Vorteile wie die erfindungsgemäße Vorrichtung auf und wird daher nicht erneut betrachtet.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird Druckluft nach Abschluss eines Pendeltakts aus dem Pendelspeicher, aus dem die Arbeitsflüssigkeit verdrängt ist, in den Speicher zurückgepumpt wird. Nach Verdrängen der Arbeitsflüssigkeit aus einem Pendelspeicher ist dieser mit Druckluft gefüllt, welche einen höheren Druck als die Umgebungsluft aufweist. Die bereits vorkomprimierte Luft wird über Rücklaufleitungen in den Speicher für Druckluft zurückgeführt und verbleibt somit in der Art eines Kreislaufs im Speichergenerator. Es wird so vorteilhaft der Verbrauch von Umgebungsluft durch den Speichergenerator reduziert. Weiterhin wird durch die Rückführung von bereits vorkomprimierter Luft der Aufwand zur Kompression von Luft in den Speicher für Druckluft reduziert.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird Druckluft zu Tageszeiten mit hoher Energieverfügbarkeit in den Speicher eingeleitet und die Arbeitsflüssigkeit zu Tageszeiten mit hohem Energiebedarf zwischen den Pendelspeichern verdrängt. Eine Tageszeit mit hoher Energieverfügbarkeit kann beispielhaft eine Nacht-Zeit sein. Dabei kann mit günstig verfügbarer elektrischer Energie Druckluft in den Speicher eingeleitet werden. Eine Tageszeit mit hohem Energiebedarf können beispielhaft die frühen Morgenstunden oder der Vormittag sein. Dann kann Arbeitsflüssigkeit mit zuvor erzeugter Druckluft zwischen den Pendelspeichern verdrängt werden, sodass die erzeugte Energie zur Verfügung steht. Ein Speichergenerator nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann so vorteilhaft in der Art eines Spitzenlast-Energiespeicher betrieben werden.
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Eine Tageszeit mit hoher Energieverfügbarkeit kann außerdem beispielhaft eine Zeit mit geeigneten Wetterverhältnissen sein, wie z.B. eine Mittagszeit mit hohem Sonnenstand oder eine Tageszeit mit geeigneter Windgeschwindigkeit. Dann kann Druckluft vorteilhaft unter Ausnutzung von regenerativ erzeugter elektrischer Energie in den Speicher für Druckluft eingeleitet werden und durch Verdrängung der Arbeitsflüssigkeit elektrische Energie erzeugt werden. Ein Speichergenerator nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann so vorteilhaft in der Art eines Speichers für regenerative Energie betrieben werden.
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Die Erfindung und weitere vorteilhafte Ausführungen derselben werden anhand der kurz angeführten Figuren nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigt
- 1 das Fließschema eines beispielhaften, gemäß der Erfindung ausgeführten Speichergenerators während des erstmaligen Befüllens des Speichers mit Druckluft,
- 2 das Fließschema des Speichergenerators nach Beginn eines ersten Pendeltakts,
- 3 das Fließschema des Speichergenerators während des Zurückpumpens von Druckluft nach Abschluss eines ersten Pendeltakts,
- 4 das Fließschema des Speichergenerators nach Beginn eines zweiten Pendeltakts, und
- 5 das Fließschema des Speichergenerators während des Zurückpumpens von Druckluft nach Abschluss eines zweiten Pendeltakts.
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Gemäß der Darstellung in 1 weist der Speichergenerator für Energie S einen ersten Pendelspeicher P1 und einen zweiten Pendelspeicher P2 auf. Diese sind in den vorliegenden Figuren symbolhaft mit Rechtecken dargestellt. Der Speichergenerator S weist außerdem eine Arbeitsflüssigkeit W auf, welche annähernd vollständig im ersten Pendelspeicher P1 angeordnet ist. Diese ist in den Figuren symbolhaft mit einer punktierten Füllung dargestellt. Der Speichergenerator S weist vorteilhaft Wasser als Arbeitsflüssigkeit W auf. Diesem können technische Additive, z.B. zur Erhöhung des Siedepunkts und/oder zur Absenkung des Gefrierpunkts, zugesetzt sein.
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Erster und zweiter Pendelspeicher P1, P2 sind mit einer durchströmbaren Pendelleitung L für die Arbeitsflüssigkeit W verbunden. Die Pendelleitung L weist ein Pendelventil L1 auf, mittels dem der Durchfluss durch die Pendelleitung L geöffnet bzw. gesperrt werden kann. Die Ventile sind in den vorliegenden Figuren symbolhaft mit einem Kreis dargestellt. Dabei symbolisiert eine quer zur jeweiligen Leitung verlaufende Linie innerhalb des Kreises eine sperrende Ventilstellung und eine längs zur jeweiligen Leitung verlaufende Linie innerhalb des Kreises eine durchlässige Ventilstellung.
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Der Speichergenerator S weist weiterhin einen Speicher D für Druckluft A auf. Dieser ist über eine erste Vorlaufleitung P11 mit dem ersten Pendelspeicher P1 und über eine zweite Vorlaufleitung P21 mit dem zweiten Pendelspeicher P2 verbunden, über die den Pendelspeichern P1, P2 jeweils Druckluft A aus dem Speicher D zuführbar ist. Dabei erfolgt die Zuführung von Druckluft D in die Pendelspeicher P1, P2 vorteilhaft von oben. Dabei wird vorteilhaft die Bildung von Luftblasen in der Arbeitsflüssigkeit W vermieden und so ein unerwünschtes Einfließen der Luftblasen in die Pendelleitung L verhindert. Die Zuführung von Druckluft D kann weiterhin beispielhaft von unten in die Pendelspeicher P1, P2 erfolgen, wobei die Bildung von Luftblasen in der Arbeitsflüssigkeit W durch ein Steigrohr für die Druckluft D vermieden wird. Die erste, zweite Vorlaufleitung P11, P21 weisen weiterhin jeweils ein erstes, zweites Vorlaufventil P12, P22 auf, über die der Durchfluss durch die jeweilige Vorlaufleitung sperrbar ist. Die Vorlaufleitungen P11, P21 sind in den vorliegenden Figuren symbolhaft mit dicken Linien dargestellt.
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Der Speicher D, der erste und/oder zweite Pendelspeicher P1, P2 können als Tanks ausgeführt sein oder vorteilhaft als geologische Kavernen.
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Der Speichergenerator S weist außerdem eine Turbinen-Generator-Einheit T in der Pendelleitung L auf. Während der Verdrängung der Arbeitsflüssigkeit W zwischen den Pendelspeichern P1, P2 durch die Pendelleitung L mittels der Druckluft A wird zumindest die Turbine der Turbinen-Generator-Einheit T von der Arbeitsflüssigkeit W durchströmt. Diese wird dabei in Rotation versetzt, sodass mittels des Generators der Turbinen-Generator-Einheit T elektrische Energie erzeugt wird. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Turbinen-Generator-Einheit T vorteilhaft mit einem Versorgungsnetz T1 zur Einspeisung erzeugter elektrischer Energie verbunden. Dieses ist symbolhaft durch drei Linien dargestellt. In einer weiteren vorteilhaften, jedoch nicht separat dargestellten Ausführung der Erfindung ist die Turbinen-Generator-Einheit T mit einem Speicher für elektrische Energie verbunden.
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Gemäß der vorteilhaften Ausführung der Figuren weist der Speichergenerator S einen Kompressor K zur Einleitung von Druckluft A in den Speicher D auf. Dieser ist symbolhaft mit einem Kreis dargestellt. Es ist so vorteilhaft die Kompression von Durchluft in den Speicher D möglich. Der Kompressor K ist über eine Druckleitung K3 mit dem Speicher D verbunden. Diese weist ein Druckventil K4 auf, womit der Durchfluss durch die Druckleitung K3 sperrbar ist. Besonders vorteilhaft weist der Speichergenerator S eine Einrichtung zur Erzeugung von Energie E, bevorzugt regenerativer Energie, zum Betrieb des Kompressors K auf. Diese ist symbolhaft mit einem Viereck dargestellt. Es wird so vorteilhaft der Verbrauch von elektrischer Energie aus einem öffentlichen Versorgungsnetz reduziert und somit besonders vorteilhaft die autarke Erzeugung von Druckluft und Speicherung von Energie ermöglicht.
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Der Speichergenerator S weist außerdem vorteilhaft eine erste, zweite Rücklaufleitung P13, P23 auf, worüber jeweils der erste, zweite Pendelspeicher P1, P2 mit dem Speicher D für Druckluft A verbunden sind. Es ist so bereits vorkomprimierte Luft in den Speicher D rückführbar, sodass vorteilhaft der Aufwand bei der Einleitung von Druckluft A in den Speicher D reduziert ist. Die Rücklaufleitungen P13, P23 sind in den vorliegenden Figuren symbolhaft mit dicken Linien dargestellt. Die erste, zweite Rücklaufleitung P13, P23 weisen jeweils ein erstes, zweites Rücklaufventil P14, P24 auf, mittels denen der Durchfluss durch die Rücklaufleitungen P13, P23 sperrbar ist. Die erste, zweite Rücklaufleitung P13, P23 sind besonders vorteilhaft vor dem Kompressor K zu einer Ansaugleitung K1 zusammengeführt. Der Kompressor weist somit auf dessen Ansaugseite nur eine gemeinsame Zuleitung auf. Die Ansaugleitung K1 weist vorteilhaft ein Rückschlagventil K2 auf. Dieses ist so ausgeführt, dass in einer geöffneten Ventilstellung das Einsaugen von Umgebungsluft in den Speichergenerator möglich ist und in einer geschlossenen Ventilstellung der Austritt von Druckluft aus dem Speichergenerator verhindert ist. Das Rückschlagventil K2 ist in den Figuren symbolhaft mit einem Kreis dargestellt, wobei zwei Schrägflächen und ein Kreis als Ventilkörper die Schaltstellungen symbolisieren.
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Weiterhin weist der Speichergenerator S vorteilhaft ein erstes Entlüftungsventil P15 am ersten Pendelspeicher P1 und ein zweites Entlüftungsventil P25 am zweiten Pendelspeicher P2 auf. Diese ermöglichen beim Einströmen der Arbeitsflüssigkeit in einen Pendelspeicher das Austreten der in diesem Pendelspeicher vorhandenen Luft. Es wird so vorteilhaft während eines Pendeltakts die Bildung eines Staudrucks im jeweiligen Pendelspeicher verhindert und somit vorteilhaft das Einströmen der Arbeitsflüssigkeit in den Pendelspeicher erleichtert. Die Entlüftungsventile P15, P25 sind in der vorliegenden Ausführung besonders vorteilhaft jeweils an der ersten, zweiten Rücklaufleitung P13, P23 des ersten, zweiten Pendelspeichers P1, P2 angeordnet. Es wird so vorteilhaft die Gefahr eines unerwünschten Austretens von Arbeitsflüssigkeit durch die Entlüftungsventile reduziert. Die Entlüftungsventile können bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung auch direkt am Pendelspeicher angeordnet sein und weiter vorteilhaft einen Füllstandsmesser zur Reduzierung der Gefahr eines unerwünschten Austretens von Arbeitsflüssigkeit durch die Entlüftungsventile aufweisen.
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Das Fließschema von 1 zeigt den beispielhaften, gemäß der Erfindung ausgeführten Speichergenerator S zu Beginn des erstmaligen Befüllens des Speichers D mit Druckluft vor Beginn eines ersten Pendeltakts. Die Arbeitsflüssigkeit ist annähernd vollständig im ersten Pendelspeicher P1 angeordnet.
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Der Speicher D ist mit Luft mit einem niedrigen Druck pn, beispielhaft Umgebungsluftdruck in Höhe von 1 bar, gefüllt. Der Kompressor K ist in Betrieb zur Einleitung von Druckluft A in den Speicher D. Der Kompressor K wird dabei mit der Einheit zur Erzeugung von Energie E betrieben. Diese ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Einheit zur Erzeugung von regenerativer Energie ausgeführt. Die Ansaugleitung K1 ist an der Saugseite des Kompressors K angeordnet. Das Rückschlagventil K2 ist geöffnet und das erste, zweite Rücklaufventil P14, P24 der ersten, zweiten Rücklaufleitung P11, P21 geschlossen. Das erste, zweite Vorlaufventil P12, P22 sind ebenfalls geschlossen. Es wird so Umgebungsluft durch Rückschlagventil K2 und Ansaugleitung K1 durch den Kompressor angesaugt, komprimiert und an dessen Druckseite durch die Druckleitung K3 und das geöffnete Druckventil K4 in den Speicher D eingeleitet. Der Kompressor K ist in Betrieb bis der Speicher D mit Druckluft, beispielhaft mit einem Luftdruck in Höhe von 7 bar, gefüllt ist. Es erfolgt sodann die Abschaltung des Kompressors K sowie das Absperren des Druckventils K4. Der Speichergenerator S ist somit vorbereitet zur Einleitung eines ersten Pendeltakts.
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Das Fließschema von 2 zeigt den Speichergenerator S kurz nach Beginn eines ersten Pendeltakts. Der Speicher D weist Druckluft A mit einem hohen Druck ph, beispielhaft in Höhe von 7 bar, auf. Das Druckventil K4 der Druckleitung K3 ist geschlossen.
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Das erste Vorlaufventil P12 ist geöffnet, sodass Druckluft A aus dem Speicher D durch die erste Vorlaufleitung P11 in den ersten Pendelspeicher P1 einströmt. Das erste Rücklaufventil P14 und das erste Entlüftungsventil P15 sind geschlossen. Es erfolgt somit mittels der Druckluft A aus dem Speicher D die Verdrängung der Arbeitsflüssigkeit W aus dem ersten Pendelspeicher P1 in Strömungsrichtung W1 durch die Pendelleitung L, das geöffnete Pendelventil L1 und die Turbinen-Generator-Einheit T in den zweiten Pendelspeicher P2. Die Arbeitsflüssigkeit W wirkt dabei auf die Turbinen-Generator-Einheit T ein, sodass elektrische Energie erzeugt wird. Diese wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel in das Stromnetz T1 eingespeist.
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Der zweite Pendelspeicher P2 ist mit Luft mit niedrigem Druck pn, beispielhaft in Höhe von 1 bar, gefüllt. Das zweite Rücklaufventil P24 ist geschlossen. Das zweite Entlüftungsventil P25 ist geöffnet, sodass die in dem zweiten Pendelspeicher P2 angeordnete Luft mit niedrigem Druck pn ausströmen kann und das Aufbauen eines Staudrucks im zweiten Pendelspeicher P2 verhindert wird.
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In 3 ist das Fließschema des Speichergenerators S während des Zurückpumpens von Druckluft A in den Speicher D nach Abschluss eines ersten Pendeltakts dargestellt. Die Arbeitsflüssigkeit W ist annähernd vollständig im zweiten Pendelspeicher P2 angeordnet. Das zweite Rücklaufventil P24 sowie das zweite Entlüftungsventil P25 sind geschlossen. Das Pendelventil L1 ist geschlossen, sodass eine unerwünschte Rückströmung der Arbeitsflüssigkeit W durch die Pendelleitung L verhindert ist. Weiterhin ist das erste Vorlaufventil P12 der ersten Vorlaufleitung P1 wieder geschlossen. Der Speicher D und der erste Pendelspeicher P1 sind mit Druckluft A mit einem mittleren Druck pm, beispielhaft in Höhe von 4 bar, gefüllt. Das erste Rücklaufventil P14 und das Druckventil K4 sind noch geschlossen. Dieser Zustand, der in den Figuren nicht separat dargestellt ist, beschreibt den Abschluss eines ersten Pendeltakts.
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Es erfolgt sodann das Zurückpumpen von Druckluft A aus dem ersten Pendelspeicher P1, aus dem die Arbeitsflüssigkeit W verdrängt wurde, zurück in den Speicher D. Hierzu erfolgt die Öffnung des ersten Rücklaufventils P14 sowie des Druckventils K4 und die Aktivierung des Kompressors K. Dieser saugt die bereits vorkomprimierte Druckluft A mit mittlerem Druck pm, beispielhaft in Höhe von 4 bar, durch die erste Rücklaufleitung P13, das geöffnete erste Rücklaufventil P14 und die Ansaugleitung K1 und pumpt diese durch die Druckleitung K3 und das geöffnete Druckventil K4 zurück in den Speicher D. Der erste Pendelspeicher P1 ist dann nur noch mit Luft mit niedrigem Druck pn, beispielhaft in Höhe von 1 bar, gefüllt. Im Moment der Unterschreitung eines Drucks im Pendelspeicher, welcher dem Umgebungsluftdruck entspricht, erfolgt natürlich die Öffnung des Rückschlagventils K2. Es wird so weiterhin die während des Einströmens der Arbeitsflüssigkeit W in den zweiten Pendelspeicher P2 durch das zweite Entlüftungsventil P25 verdrängte Luftmenge über das Rückschlagventil K2 an der Ansaugleitung K1 wieder in den Speichergenerator S eingesaugt. Der Speicher D ist somit nach dem Zurückpumpen der Druckluft aus dem ersten Pendelspeicher P1 wieder mit annähernd derselben Menge Druckluft A mit hohem Druck, beispielhaft 7 bar, gefüllt.
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Nach Abschluss des Zurückpumpens erfolgt die Schließung des ersten Rücklaufventils P14 und des Druckventils K4 sowie die Abschaltung des Kompressors K. Der Speichergenerator S ist somit zur Einleitung eines zweiten Pendeltakts vorbereitet.
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Das Fließschema von 4 zeigt den Speichergenerator S kurz nach Beginn eines zweiten Pendeltakts. Der Speicher D weist Druckluft A mit einem hohen Druck ph, beispielhaft in Höhe von 7 bar, auf. Das Druckventil K4 der Druckleitung K3 ist geschlossen.
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Das zweite Vorlaufventil P22 ist geöffnet, sodass Druckluft A aus dem Speicher D durch die zweite Vorlaufleitung P21 in den zweiten Pendelspeicher P2 einströmt. Das zweite Rücklaufventil P24 und das zweite Entlüftungsventil P25 sind geschlossen. Es erfolgt somit mittels der Druckluft A aus dem Speicher D die Verdrängung der Arbeitsflüssigkeit W aus dem zweiten Pendelspeicher P2 in umgekehrter Strömungsrichtung W2 durch die Pendelleitung L, durch die Turbinen-Generator-Einheit T und das geöffnete Pendelventil L1 zurück in den ersten Pendelspeicher P1. Die Arbeitsflüssigkeit W wirkt dabei auf die Turbinen-Generator-Einheit T ein, sodass elektrische Energie erzeugt wird. Diese wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel in das Stromnetz T1 eingespeist.
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Der erste Pendelspeicher P1 ist mit Luft mit niedrigem Druck pn, beispielhaft in Höhe von 1 bar, gefüllt. Das erste Rücklaufventil P14 ist geschlossen. Das erste Entlüftungsventil P15 ist geöffnet, sodass die in dem ersten Pendelspeicher P1 angeordnete Luft mit niedrigem Druck pn ausströmen kann und so das Aufbauen eines Staudrucks im ersten Pendelspeicher P1 verhindert wird.
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In 5 ist das Fließschema des Speichergenerators S während des Zurückpumpens von Druckluft A in den Speicher D nach Abschluss eines zweiten Pendeltakts dargestellt. Die Arbeitsflüssigkeit W ist wieder annähernd vollständig im ersten Pendelspeicher P1 angeordnet. Das erste Rücklaufventil P14 sowie das erste Entlüftungsventil P15 sind geschlossen. Das Pendelventil L1 ist geschlossen, sodass eine unterwünschte Rückströmung der Arbeitsflüssigkeit W durch die Pendelleitung L verhindert ist. Weiterhin ist das zweite Vorlaufventil P22 der zweiten Vorlaufleitung P2 wieder geschlossen. Der Speicher D und der zweite Pendelspeicher P2 sind mit Druckluft A mit einem mittleren Druck pm, beispielhaft in Höhe von 4 bar, gefüllt. Das zweite Rücklaufventil P24 und das Druckventil K4 sind noch geschlossen. Dieser Zustand, der in den Figuren nicht separat dargestellt ist, beschreibt den Abschluss eines zweiten Pendeltakts.
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Es erfolgt sodann das Zurückpumpen von Druckluft A aus dem zweiten Pendelspeicher P2, aus dem die Arbeitsflüssigkeit W verdrängt wurde, zurück in den Speicher D. Hierzu erfolgt die Öffnung des zweiten Rücklaufventils P24 sowie des Druckventils K4 und die Aktivierung des Kompressors K. Dieser saugt die bereits vorkomprimierte Druckluft A mit mittlerem Druck pm, beispielhaft in Höhe von 4 bar, durch die zweite Rücklaufleitung P23, das geöffnete zweite Rücklaufventil P24 und die Ansaugleitung K1 und pumpt diese durch die Druckleitung K3 und das geöffnete Druckventil K4 zurück in den Speicher D. Der zweite Pendelspeicher P2 ist dann nur noch mit Luft mit niedrigem Druck pn, beispielhaft in Höhe von 1 bar, gefüllt. Es wird weiterhin die insbesondere während des Einströmens der Arbeitsflüssigkeit W in den ersten Pendelspeicher P1 durch das erste Entlüftungsventil P15 verdrängte Luftmenge über das Rückschlagventil K2 an der Ansaugleitung K1 wieder in den Speichergenerator S eingesaugt. Der Speicher D ist somit nach dem Zurückpumpen der Druckluft A aus dem zweiten Pendelspeicher P2 wieder mit annähernd derselben Menge Druckluft A mit hohem Druck, beispielhaft 7 bar, gefüllt.
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Nach Abschluss des Zurückpumpens erfolgt die Schließung des zweiten Rücklaufventils P24 und des Druckventils K4 sowie die Abschaltung des Kompressors K. Der Speichergenerator S ist somit wieder zur Einleitung eines ersten Pendeltakts vorbereitet. Dieser kann gemäß der Darstellung von 2 sowie den zugehörigen Ausführungen eingeleitet werden.
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Der beschriebene zyklisch getaktete Ablauf des pendelnden Verdrängens der Arbeitsflüssigkeit zwischen den Pendelspeichern läuft vorteilhaft elektronisch gesteuert, beispielhaft unter Verwendung von Schwimmerschaltern in den Pendelspeichern oder durch automatische, insbesondere pneumatische, Betätigung der Ventile sowie des automatisierten An- und Abschaltens des Kompressors, ab.
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Die genannten Werte für niedrigen, mittleren und hohen Luftdruck sind nur beispielhaft und können je nach Ausführung variiert werden. Insbesondere bei geologischen Kavernen als Speicher, erstem und/oder zweitem Pendelspeicher, treten höhere Drücke, beispielhaft im Bereich von 10 bar bis 100 bar auf.
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Bezugszeichenliste
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- S
- Speichergenerator für Energie
- D
- Druckluftspeicher
- K
- Kompressor für Druckluft
- K1
- Ansaugleitung
- K2
- Rückschlagventil
- K3
- Druckleitung
- K4
- Druckventil
- E
- Einheit zur Erzeugung von Energie, bevorzugt regenerativer Energie, insbesondere Solarzelle, Windenergieanlage
- P1, P2
- Erster, zweiter Pendelspeicher
- P11, P21
- Erste, zweite Vorlaufleitung
- P12, P22
- Erstes, zweites Vorlaufventil
- P13, P23
- Erste, zweite Rücklaufleitung
- P14, P24
- Erstes, zweites Rücklaufventil
- P15, P25
- Erstes, zweites Entlüftungsventil
- W
- Arbeitsflüssigkeit, insbesondere Wasser
- W1, W2
- Strömungsrichtung
- L
- Pendelleitung
- L1
- Pendelventil
- T
- Turbinen-Generator-Einheit
- T1
- Stromnetz
- A
- Druckluft
- ph
- Luft mit hohem Druck, z.B. 7 bar
- pm
- Luft mit mittlerem Druck, z.B. 4 bar
- pn
- Luft mit niedrigem Druck, z.B. 1 bar
