DE102019133180A1 - Energy storage system for buildings - Google Patents

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Oskar P. Haushofer
Philipp A. SCHOELLER
Thomas D. Schoeller
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System in einem Gebäude zum Umwandeln und Speichern von Energie. Die erzeugte Energie wird sowohl in potentielle Energie als auch in Wärmeenergie desselben Mediums umgewandelt und gespeichert. Die erzeugte Energie umfasst elektrische Energie und thermische Energie. Das System umfasst eine elektrische Energiequelle, die insbesondere eine Solarzellenanordnung ist, einen Energiewandler, der insbesondere ein Generator, eine Pumpe und/oder eine Turbine, ist, eine thermische Energiequelle, die insbesondere eine Anordnung von Sonnenkollektoren ist; und einen Wärmetauscher.The invention relates to a system in a building for converting and storing energy. The generated energy is converted into potential energy as well as thermal energy of the same medium and stored. The energy generated includes electrical energy and thermal energy. The system comprises an electrical energy source which is in particular a solar cell arrangement, an energy converter which is in particular a generator, a pump and / or a turbine, a thermal energy source which is in particular an arrangement of solar collectors; and a heat exchanger.

Description

Die Erfindung betrifft ein System in einem Gebäude zum Umwandeln und Speichern von Energie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a system in a building for converting and storing energy according to the preamble of claim 1.

Stand der TechnikState of the art

Während die Weltbevölkerung wächst und die Industrialisierung der Entwicklungsländer sich beschleunigt, steigt der globale Energiebedarf weiter an. Gleichzeitig bringt der Anstieg der Kohlenstoffemissionen die Bedrohung durch den unkontrollierbaren Klimawandel und eine drastische Verringerung der Fähigkeit der Erde, menschliches Leben zu unterstützen, immer näher. Erneuerbare Energien sind eines der wichtigsten Themen der Menschheit für unsere Generation und umso wichtiger für zukünftige Generationen.As the world's population grows and industrialization in developing countries accelerates, global energy demand continues to rise. At the same time, the rise in carbon emissions brings the threat of uncontrollable climate change and a drastic reduction in the earth's ability to support human life ever closer. Renewable energies are one of the most important human issues for our generation and all the more important for future generations.

Ein wichtiger Technikzweig der Energieversorgung sind die sogenannten erneuerbaren Energien, die möglichst CO2-neutral Strom und Wärmeenergie erzeugen. Im Gegensatz zur zentralen Stromproduktion durch herkömmliche Kraftwerke, wie beispielsweise Kohle- und Atomkraftwerke, bei der die Stromnetzinfrastruktur von zentralen Standorten der Kraftwerke zusammenläuft, werden bei den erneuerbaren Energien dezentrale Stromnetzlösungen benötigt.An important branch of technology in energy supply are the so-called renewable energies, which generate electricity and heat energy as CO 2 -neutral as possible. In contrast to centralized electricity production by conventional power plants, such as coal and nuclear power plants, in which the electricity network infrastructure from central locations of the power plants converges, decentralized electricity network solutions are required for renewable energies.

Ein weiteres Problem der erneuerbaren Energien sind tageszeitliche und wetterabhängige Schwankungen in der Energieerzeugung. Während durch Solarenergie ausschließlich tagsüber, und insbesondere zur Mittagszeit bei unbewölkt zum Himmel Strom erzeugt wird, sinkt die Stromerzeugung nachts auf null ab. Auch Windenergie ist nicht konstant verfügbar, sondern eben an das Wetter gekoppelt.Another problem with renewable energies is the time of day and weather-dependent fluctuations in energy generation. While solar energy only generates electricity during the day, and especially at noon when the sky is not cloudy, electricity generation drops to zero at night. Wind energy is also not constantly available, but is linked to the weather.

Um diese Energieproduktionsschwankungen auszugleichen, ist es nötig, Energiespeicher bereitzustellen. Eine Möglichkeit der Energiespeicherung, insbesondere in privaten Haushalten mit Solaranlagen ist der Einsatz von großen Batteriespeichern. Ein wesentlicher Nachteil dieser Batteriespeicher ist jedoch der hohe Ressourcenverbrauch und entstehende Umweltschäden durch den Abbau wertvoller Metalle, wie beispielsweise Lithium, die für solche Batteriespeicher benötigt werden.In order to compensate for these fluctuations in energy production, it is necessary to provide energy storage devices. One way of storing energy, especially in private households with solar systems, is the use of large battery storage systems. A major disadvantage of these battery storage systems, however, is the high consumption of resources and environmental damage caused by the breakdown of valuable metals, such as lithium, which are required for such battery storage systems.

Eine andere Form der Energiespeicherung, wie sie vor allem auf größeren Energieskalen zur Anwendung kommt, sind Pumpspeicherkraftwerke. Hierbei wird Wasser durch elektrische Pumpen auf eine gewisse Höhe gepumpt und somit die elektrische Energie in Höhenenergie (potentielle Energie) des Wassers umgewandelt. Später wird das aufgestaute Wasser verwendet, um eine Turbine und einen Generator anzutreiben, um wieder elektrische Energie zu erzeugen.Another form of energy storage, mainly used on larger energy scales, is pumped storage power plants. Here, water is pumped to a certain height by electric pumps and thus the electrical energy is converted into height energy (potential energy) of the water. Later, the dammed water is used to drive a turbine and a generator to generate electrical energy again.

Ein Problem eines solchen Pumpspeicherkraftwerks ist jedoch der hohe Aufwand, da hierfür große Stauseen geschaffen werden müssen. Der Bau ist an landschaftliche Voraussetzungen gebunden, erzeugt weitere ökologische Schäden, erfordert lange Planungs- und Genehmigungszeiten und verliert somit an Flexibilität, die im Bereich der erneuerbaren Energie sehr wichtig ist.One problem with such a pumped storage power plant, however, is the high cost, since large reservoirs have to be created for this. The construction is tied to the landscape, causes further ecological damage, requires long planning and approval times and thus loses flexibility, which is very important in the field of renewable energy.

Aufgabetask

Es ist somit die Aufgabe der Erfindung, ein System in einem Gebäude zum Umwandeln und Speichern von Energie bereitzustellen.It is therefore the object of the invention to provide a system in a building for converting and storing energy.

Lösungsolution

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein System gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen erfasst.The object is achieved according to the invention by a system according to claim 1. Advantageous embodiments and developments are covered in the subclaims.

Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft System in einem Gebäude zum Umwandeln und Speichern von Energie, wobei erzeugte Energie sowohl in potentielle Energie als auch in Wärmeenergie desselben Mediums umgewandelt und gespeichert werden kann. Die erzeugte Energie kann elektrische Energie und thermische Energie umfassen. Das System kann eine elektrische Energiequelle umfassen, die insbesondere eine Solarzellenanordnung sein kann, und die konfiguriert ist, die elektrische Energie zu erzeugen und/oder abzugeben.One embodiment of the invention relates to a system in a building for converting and storing energy, wherein the energy generated can be converted and stored both into potential energy and into thermal energy of the same medium. The energy generated can include electrical energy and thermal energy. The system can comprise an electrical energy source, which can in particular be a solar cell arrangement, and which is configured to generate and / or output the electrical energy.

Des Weiteren kann das System einen Energiewandler umfassen, der insbesondere ein Generator, eine Pumpe und/oder eine Turbine sein kann, und der konfiguriert ist zum Umwandeln von wenigstens einem Teil der elektrischen Energie von der elektrischen Energiequelle in die potentielle Energie einer Flüssigkeit, und Umwandeln von gespeicherter potentieller Energie der Flüssigkeit in elektrische Energie.Furthermore, the system can comprise an energy converter, which can in particular be a generator, a pump and / or a turbine, and which is configured to convert at least part of the electrical energy from the electrical energy source into the potential energy of a liquid, and convert it from stored potential energy of the liquid into electrical energy.

Das System kann des Weiteren eine thermische Energiequelle umfassen, die insbesondere eine Anordnung von Sonnenkollektoren ist, und die konfiguriert ist, die thermische Energie zu erzeugen, wobei die thermische Energie in Form von Wärmeenergie der Flüssigkeit gespeichert wird. Weiter kann das System einen Wärmetauscher umfassen, der konfiguriert ist, die thermische Energie der Flüssigkeit gesteuert aufzunehmen und/oder abzugeben.The system can further comprise a thermal energy source, which is in particular an arrangement of solar collectors, and which is configured to generate the thermal energy, the thermal energy being stored in the form of thermal energy of the liquid. The system can further comprise a heat exchanger which is configured to receive and / or release the thermal energy of the liquid in a controlled manner.

Erfindungsgemäße Ausführungsformen werden anhand der nachfolgenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

  • 1 eine schematische Ansicht eines Systems in einem Gebäude zum Umwandeln und Speichern von Energie, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
  • 2 eine schematische Ansicht eines Systems in einem Gebäude zum Umwandeln und Speichern von Energie und einen Wärmekreislauf eines Heizungssystems, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Embodiments according to the invention are described with reference to the following drawings. Show it:
  • 1 a schematic view of a system in a building for converting and storing energy, according to an embodiment of the invention; and
  • 2 a schematic view of a system in a building for converting and storing energy and a heat circuit of a heating system, according to an embodiment of the invention.

Die Erfindung betrifft ein Energiespeicherkonzept, welches eine energieeffiziente Bauweise für Gebäude mit den Vorteilen eines Speicherkraftwerks zusammenbringt, ohne jedoch die enormen planungstechnischen und ökologischen Nachteile eines Pumpspeicherkraftwerkes in Kauf zu nehmen.The invention relates to an energy storage concept which combines an energy-efficient construction for buildings with the advantages of a storage power plant, but without having to accept the enormous planning-related and ecological disadvantages of a pumped storage power plant.

1 zeigt ein Gebäude auf dessen Dach Solarzellen 101 und Sonnenkollektoren 102 angeordnet sind. Die in den Figuren gezeigte Anordnung der Solarzellen 101 und Sonnenkollektoren 202 sind hierbei nur beispielhaft und kann auch in einer anderen Art und Weise geschehen. Beispielsweise können die Sonnenkollektoren 102 und die Solarzellen 101 auch neben dem Gebäude angeordnet sein, oder können in einem anderen Verhältnis angeordnet sein. 1 shows a building with solar cells on its roof 101 and solar panels 102 are arranged. The arrangement of the solar cells shown in the figures 101 and solar panels 202 are only exemplary here and can also be done in a different way. For example, the solar panels 102 and the solar cells 101 can also be arranged next to the building, or can be arranged in a different relationship.

Die Solarzellen 101 auf dem Dach des Gebäudes produzieren elektrische Energie, die von einem Steuersystem 104 geregelt und verwaltet wird. Solarzellen 101 wandeln hierbei Sonnenlicht (elektromagnetische Wellen) in elektrische Energie um und gibt die elektrische Energie in Form von Gleichspannung aus.The solar cells 101 on the roof of the building produce electrical energy by a control system 104 is regulated and managed. Solar cells 101 convert sunlight (electromagnetic waves) into electrical energy and emit the electrical energy in the form of direct voltage.

Das Steuersystem 104 umfasst einen Stromwandler, der die Gleichspannung von den Solarzellen 101 in Wechselspannung umwandelt, wie beispielsweise 220 V, 60 Hz Netzspannung. Die Wechselspannung kann dann vom Steuersystem 104 an verschiedene Verbraucher im Gebäude über entsprechende Stromanschlüsse 106a-d übertragen werden.The tax system 104 includes a power converter that takes the DC voltage from the solar cells 101 converted to AC voltage, such as 220 V, 60 Hz mains voltage. The AC voltage can then be supplied by the control system 104 to various consumers in the building via corresponding power connections 106a-d be transmitted.

Im Allgemeinen umfasst das Steuersystem 104 die gesamte übliche Technik und Elektronik, die für den Betrieb von Solarzellen 102 benötigt werden.In general, the tax system includes 104 all the usual technology and electronics necessary for the operation of solar cells 102 are needed.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst das System ein oberes Becken 110 und ein unteres Becken 111, die über eine Leitung 106 miteinander verbunden sind. Wie in den Figuren zu sehen, ist das obere Becken 110 möglichst weit oben in dem Gebäude angeordnet (zum Beispiel direkt unterhalb von einem Dach), wohingegen das untere Becken 111 an einem möglichst tiefen Punkt des Gebäudes angeordnet ist (beispielsweise im Keller oder unter dem Keller). Das obere Becken 110 und das untere Becken 111 sind ausgelegt, eine gewisse Menge von Wasser aufzunehmen.According to one embodiment, the system comprises an upper basin 110 and a lower basin 111 that have a line 106 are connected to each other. As seen in the figures is the upper pelvis 110 Arranged as high up in the building as possible (for example directly below a roof), whereas the lower basin 111 is located at the lowest possible point in the building (for example in the basement or under the basement). The upper pelvis 110 and the lower pelvis 111 are designed to absorb a certain amount of water.

Die Leitung 106, welche das obere Becken 110 und das untere Becken 111 miteinander verbindet ist zusätzlich mit einem Energiewandler 105 verbunden.The administration 106 , which is the upper pelvis 110 and the lower pelvis 111 connects with each other is also with an energy converter 105 connected.

Der Energiewandler 105 umfasst eine Pumpe, mit der Wasser aus dem unteren Becken 111 in das obere Becken 110 gepumpt werden kann. Der Energiewandler 105 ist mit dem Steuersystem 104 elektrisch verbunden, und nutzt somit die von den Solarzellen 101 erzeugte elektrische Energie, um Wasser von dem unteren Becken 111 in das obere Becken 110 zu pumpen. Durch diesen Vorgang wird elektrische Energie von den Solarzellen 101 in potentielle Energie des Wassers umgewandelt.The energy converter 105 includes a pump that draws water from the lower basin 111 in the upper pelvis 110 can be pumped. The energy converter 105 is with the tax system 104 electrically connected, and thus uses that of the solar cells 101 generated electrical energy to get water from the lower basin 111 in the upper pelvis 110 to pump. This process generates electrical energy from the solar cells 101 converted into potential energy of the water.

Beispielsweise kann das Gebäude einen Grundriss von 15 × 15 m2 aufweisen und sowohl das untere Becken 111, wie auch das obere Becken 110 jeweils ein Volumen von etwa 300 m3 Brauchwasser aufnehmen. Das Brauchwasser muss hierbei nicht notwendigerweise Leitungswasser sein, sondern kann beispielsweise gesättigtes Salzwasser sein, wodurch sich die Dichte und damit die Masse des Wassers um den Faktor 1,4 im Vergleich zu Süßwasser erhöht. Dies steigert die Kapazität des Speichersystems ebenso um den Faktor 1,4. Unter der Annahme, dass der Höhenunterschied zwischen dem unteren Becken 111 und dem oberen Becken 110 etwa 10m beträgt und gemäß der physikalischen Formel Epot = m x g x h (wobei g = 9,81 m/s2 die Erdbeschleunigungskonstante ist) lässt sich mit diesem beispielhaften System eine Energie von Epot = (300.000x1,4x9,81x10) J = 41,2 MJ = 11 kWh speichern.For example, the building can have a floor plan of 15 × 15 m 2 and both the lower basin 111 as well as the upper pelvis 110 each take up a volume of about 300 m 3 of service water. The process water does not necessarily have to be tap water, but can, for example, be saturated salt water, which increases the density and thus the mass of the water by a factor of 1.4 compared to fresh water. This also increases the capacity of the storage system by a factor of 1.4. Assuming the difference in height between the lower pelvis 111 and the upper pelvis 110 is about 10m and according to the physical formula Epot = mxgxh (where g = 9.81 m / s 2 is the gravitational acceleration constant) an energy of Epot = (300,000x1.4x9.81x10) J = 41.2 can be achieved with this exemplary system Save MJ = 11 kWh.

Bei einer angenommenen Fläche von 130 m2 Solarzellen lassen sich in Deutschland im Mittel 18,2 kWh/Tag erzeugen. Ein Vergleich dieser Zahlen zeigt, dass die oben beispielhaft angegebene Größenordnung für das obere Becken 110, das untere Becken 111 und die Höhe von etwa 10 m ein effizientes und realistisches Speichersystem darstellt. Die oben genannten Zahlen sind jedoch nicht als Einschränkung zu verstehen und es können verschiedene Abmessungen verwendet werden, um elektrische Energie in Form von potentieller Energie von Wasser zu speichern.With an assumed area of 130 m 2 solar cells, an average of 18.2 kWh / day can be generated in Germany. A comparison of these figures shows that the size given above as an example applies to the upper pelvis 110 , the lower pelvis 111 and the height of about 10 m represents an efficient and realistic storage system. The above figures are not intended to be limiting, however, and various dimensions can be used to store electrical energy in the form of potential energy from water.

Wenn sich Wasser in dem oberen Becken 110 des Systems befindet, kann dies über die Leitung 106 wieder in das untere Becken 111 abgelassen werden. Hierdurch läuft das Wasser durch den Energiewandler 105, welcher zusätzlich zu der Pumpe eine Turbine umfasst, die durch das herabströmende Wasser angetrieben wird. Die Turbine in dem Energiewandler 105 treibt ihrerseits einen Generator an, welcher elektrische Energie erzeugt, die dann über das Steuersystem 104 mit den Stromanschlüssen 106a-d verbraucht werden kann, oder in anderer Form nach außen abgeführt werden kann.When there is water in the upper basin 110 of the system is located, this can be done via the line 106 back to the lower pelvis 111 be drained. This causes the water to run through the energy converter 105 which, in addition to the pump, comprises a turbine that is driven by the water flowing down. The turbine in the energy converter 105 in turn drives a generator, which generates electrical energy, which is then fed through the control system 104 with the Power connections 106a-d can be consumed, or can be discharged to the outside in another form.

Gemäß einer Ausführungsform sind die Pumpe und die Turbine in dem Energiewandler 105 ein einziges Bauteil. Gemäß einer alternativen Ausführungsform werden für die Pumpe und die Turbine in dem Energiewandler 105 getrennte Komponenten benutzt. Die Elektronik des Energiewandlers 105 kann ebenfalls mit Energie durch die Solarzellen 101 betrieben werden. In einer Ausführungsform umfasst der Energiewandler 105 des Weiteren eine Pufferbatterie zum Schutz der Elektronik, was insbesondere beim Starten der Turbine durch das herabfließende Wasser vorteilhaft sein kann.According to one embodiment, the pump and the turbine are in the energy converter 105 a single component. According to an alternative embodiment, for the pump and the turbine in the energy converter 105 separate components are used. The electronics of the energy converter 105 can also be powered by the solar cells 101 operate. In one embodiment, the energy converter comprises 105 Furthermore, a backup battery to protect the electronics, which can be particularly advantageous when the turbine is started by the water flowing down.

Die in den Figuren dargestellte Stromleitung mit den Stromanschlüssen 106a-d ist des Weiteren noch mit einer externen Stromleitung 107 verbunden, um elektrische Energie von einem externen Stromnetz aufzunehmen, und/oder elektrische Energie von dem externen Stromnetz aufzunehmen.The power line shown in the figures with the power connections 106a-d is also still with an external power line 107 connected to receive electrical energy from an external power grid, and / or to receive electrical energy from the external power grid.

So kann das Gebäude, bzw. das Speichersystem in dem Gebäude des Weiteren als Teil eines größeren Energiespeichers verwendet werden, um als Speicher für Stromspitzen aus Solarenergieerzeugung, Windenergieerzeugung, Gaskraftwerken, oder ähnlichen Kraftwerken und Energieerzeugungsanlagen von externen Kraftwerken verwendet zu werden.The building or the storage system in the building can also be used as part of a larger energy storage system in order to be used as storage for current peaks from solar energy generation, wind energy generation, gas power plants, or similar power plants and energy generation systems from external power plants.

Mit dieser Architektur lässt sich ein effizientes und dezentrales Speicherkraftwerk ohne Umweltzerstörung, Stauseebildung oder langwierige Baugenehmigungen erstellen. Dies ist insbesondere in abgelegenen Gebieten der Erde vorteilhaft, um dort dezentrale Stromnetze zwischen mehreren Gebäuden aufzubauen.With this architecture, an efficient and decentralized storage power plant can be created without environmental damage, reservoir formation or lengthy building permits. This is particularly advantageous in remote areas of the world in order to set up decentralized power grids between several buildings.

Wie in 1 des Weiteren zu sehen ist, umfasst das System zusätzlich zu den Solarzellen 101 auf dem Dach des Gebäudes noch eine Anordnung von Sonnenkollektoren 102. Die Sonnenkollektoren 102 sind eine Vorrichtung zum Erwärmen von Wasser. Die Sonnenkollektoren 102 wandeln eingestrahltes Sonnenlicht (thermische Energie) in Wärmeenergie von Wasser um. Der Einfachheit halber wird hierin davon gesprochen, thermische Energie (Sonnenenergie) in Wärmeenergie eines Mediums (wie beispielsweise Wasser) umzuwandeln.As in 1 Furthermore, it can be seen that the system includes in addition to the solar cells 101 an arrangement of solar panels on the roof of the building 102 . The solar panels 102 are a device for heating water. The solar panels 102 convert irradiated sunlight (thermal energy) into thermal energy from water. For the sake of simplicity, it is referred to herein as converting thermal energy (solar energy) into thermal energy of a medium (such as water).

Wie in den Figuren zu erkennen, sind die Sonnenkollektoren 102 mit einem Zulauf 103a und einem Ablauf 103b verbunden, um Wasser aus dem oberen Becken 110 aufzunehmen, aufzuheizen, und wieder zurückzugeben. Im Inneren der Sonnenkollektoren 102 verläuft ein Rohrsystem, durch welches das Wasser befördert wird und dabei durch die thermische Energie der Sonne aufgeheizt wird, so dass das Wasser die extern zugeführte thermische Energie aufnimmt und in Form von Wärmeenergie speichert.As can be seen in the figures, the solar panels are 102 with an inlet 103a and a sequence 103b connected to water from the upper basin 110 take in, heat up and give back. Inside the solar panels 102 A pipe system runs through which the water is transported and is heated up by the thermal energy of the sun, so that the water absorbs the externally supplied thermal energy and stores it in the form of thermal energy.

Der Zulauf 103a und Ablauf 103b müssen nicht zwangsläufig mit dem oberen Becken 110 verbunden sein, sondern können auch mit der Leitung 106 oder mit dem unteren Becken 111 verbunden sein. Des Weiteren müssen die Sonnenkollektoren 102 nicht zwangsläufig auf dem Dach des Gebäudes angeordnet sein, sondern können beispielsweise auch neben dem Gebäude angeordnet sein, oder können beispielsweise an den Mauern des Gebäudes angebracht sein.The inflow 103a and expiration 103b do not necessarily have to be with the upper pelvis 110 be connected, but can also be connected to the line 106 or with the lower pelvis 111 be connected. Furthermore, the solar panels must 102 not necessarily be arranged on the roof of the building, but can, for example, also be arranged next to the building, or can for example be attached to the walls of the building.

Bei einer angenommenen Fläche von etwa 95 m2 der Sonnenkollektoren errechnet sich bei 300 m3 Brauchwasser eine ungefähre Erwärmung von 0,2 °C des Wassers pro Tag, gemittelt über das Jahr. Diese von den Sonnenkollektoren 102 erzeugte thermische Energie kann somit in Form von Wärmeenergie des Wassers in dem oberen Becken 110 und dem unteren Becken 111 gespeichert werden.With an assumed area of around 95 m 2 for the solar collectors, 300 m 3 of service water results in an approximate warming of 0.2 ° C of the water per day, averaged over the year. These from the solar panels 102 The thermal energy generated can thus be in the form of thermal energy of the water in the upper basin 110 and the lower pelvis 111 get saved.

Mit diesen beispielhaften Zahlen lässt sich eine thermische Energie von 9.500 kWh in 100 Tagen in Form von Wärmeenergie des Wassers speichern. Der Bedarf von älteren Häusern liegt bei etwa 6.000 kWh pro Jahr.With these exemplary figures, thermal energy of 9,500 kWh can be stored in 100 days in the form of thermal energy from the water. The demand of older houses is around 6,000 kWh per year.

Somit wird das Wasser im oberen Becken 110 nicht nur zur Speicherung in Form von potentieller Energie verwendet, sondern auch zur Speicherung von thermischer Energie in Form von Wärmeenergie des Wassers verwendet. Dies kann direkt in die Energiebilanz des Hauses mit eingerechnet werden, wodurch ein System entsteht, welches mehr Energie erzeugt, als es verbraucht.Thus, the water in the upper basin 110 not only used for storage in the form of potential energy, but also used to store thermal energy in the form of thermal energy of the water. This can be included directly in the energy balance of the house, creating a system that generates more energy than it consumes.

Um eine kontrollierte Abgabe der Wärmeenergie des Wassers zu gewährleisten, können sowohl das obere Becken 110, als auch das untere Becken 111 und die Leitung 106 mit einer Wärmeisolation ausgestattet sein, um das aufgewärmte Wasser unkontrolliert an die Umgebung abzugeben.In order to ensure a controlled release of the thermal energy of the water, both the upper basin 110 , as well as the lower pelvis 111 and the line 106 be equipped with thermal insulation so that the heated water can be released into the environment in an uncontrolled manner.

Das aufgeheizte Wasser kann dann mittels einem oder mehreren Wärmetauschern dazu genutzt werden, um die thermische Energie des Wassers gesteuert und gezielt an die Umgebung abzugeben. Beispielsweise kann das Wasser für Heizkörper verwendet werden, um die Räume in dem Gebäude zu erwärmen.The heated water can then be used by means of one or more heat exchangers to release the thermal energy of the water in a controlled and targeted manner to the environment. For example, the water can be used for radiators to heat the rooms in the building.

Wie beispielsweise in 2 zu sehen, sind mehrere Wärmetauscher 210a-d in den verschiedenen Stockwerken des Gebäudes angeordnet. Die Wärmetauscher 210a-d können einzelnen zugeschaltet oder abgeschaltet werden.As for example in 2 several heat exchangers can be seen 210a-d arranged in the different floors of the building. The heat exchangers 210a-d can be switched on or off individually.

In 2 sind die Wärmetauscher 210a-d mit der Leitung 106 verbunden, welche das obere Becken 110 mit dem unteren Becken 111 verbindet. Dies ist jedoch nur eine beispielhafte Anordnung der Wärmetauscher 210a-d. Die Wärmetauscher 210a-d können auch über eine separate Leitung (nicht gezeigt) mit einem oder beiden von dem oberen Becken 110 und dem unteren Becken 111 verbunden sein.In 2 are the heat exchangers 210a-d with the line 106 connected to which the upper pelvis 110 with the lower pelvis 111 connects. However, this is only an exemplary arrangement of the heat exchangers 210a-d . The heat exchangers 210a-d can also be connected to either or both of the upper basin via a separate conduit (not shown) 110 and the lower pelvis 111 be connected.

Insbesondere in wärmeren Regionen der Erde kann das System auch Wärmetauscher 210a-d verwenden, um die Räume durch das Wasser (insbesondere das Wasser aus dem unteren Becken 111)zu kühlen. In diesem Fall nehmen die Wärmetauscher 210a-d die Wärme aus den Räumen auf, und kühlen somit die Räume.The system can also use heat exchangers, particularly in warmer regions of the world 210a-d use the spaces through the water (especially the water from the lower basin 111 ) to cool. In this case, take the heat exchanger 210a-d the heat from the rooms, and thus cool the rooms.

Die Wärmetauscher 210a-d können ein Heizungssystem sein, wie beispielsweise Heizkörper oder eine Fußbodenheizung, oder eine Kombination daraus. Des Weiteren können die Wärmetauscher 210a-d auch eine Vorrichtung zum Aufheizen von Leitungswasser umfassen.The heat exchangers 210a-d can be a heating system such as radiators or underfloor heating, or a combination of these. Furthermore, the heat exchangers 210a-d also comprise a device for heating tap water.

Während das System relativ einfach in die Planung für Neubauten integrierbar ist, ist eine Nachrüstung für bestehende Gebäude zwar prinzipiell möglich, erfordert jedoch einen deutlich höheren Aufwand, da nachträglich Räumlichkeiten für das obere Wasserbecken 110 und das untere Wasserbecken 111 zur Verfügung gestellt werden müssen.While the system can be integrated relatively easily into the planning for new buildings, retrofitting for existing buildings is in principle possible, but requires significantly more effort, since additional space for the upper water basin is required 110 and the lower water basin 111 must be made available.

Bei Gebäuden mit Flachdach lassen sich auch nachträglich relativ einfach ein oberes Becken 110 auf dem Flachdach nachrüsten. Die Solarzellen 103 und die Sonnenkollektoren 102 können dann relativ einfach auf das nachgerüstet obere Becken 110 auf dem Flachdach montiert werden. Das untere Becken 111 erfordert entweder eine Umrüstung des Kellers, oder ein externes Becken, welches beispielsweise neben dem Gebäude unter der Erde vergraben werden kann.In buildings with a flat roof, an upper basin can also be added relatively easily at a later date 110 retrofit on the flat roof. The solar cells 103 and the solar panels 102 can then be relatively easily installed on the retrofitted upper basin 110 be mounted on the flat roof. The lower pelvis 111 requires either a conversion of the basement, or an external basin, which can be buried underground next to the building, for example.

Somit ist in vielen Fällen auch eine Nachrüstung bestehender Gebäude prinzipiell durchführbar.Thus, in many cases, existing buildings can also be retrofitted in principle.

Eine alternative Ausführungsform, welche insbesondere für die Nachrüstung von Gebäuden effizient ist, verwendet nicht Wasser, sondern ein möglichst dichtes festes Material, wie beispielsweise Eisenerz.An alternative embodiment, which is particularly efficient for retrofitting buildings, does not use water, but a solid material that is as dense as possible, such as iron ore.

Eisenerz ist relativ günstig bei gleichzeitig sehr hoher Dichte. In dieser Ausführungsform wird ein bestimmtes Volumen von Eisenerz an einer Aufhängung in einem Schacht angeordnet. Die Aufhängung kann mit einer Winde oder einem anderen Hubmechanismus verbunden sein, die elektrisch angetrieben werden. Somit kann elektrische Energie, beispielsweise von den Solarzellen 101 verwendet werden, um das Eisenerz innerhalb des Schachts um eine bestimmte Höhe nach oben zu ziehen oder heben. Beim Herablassen des Eisenerzes kann ein Generator angetrieben werden, welcher die potentielle Energie des Eisenerzes in elektrische Energie umwandelt.Iron ore is relatively cheap and has a very high density. In this embodiment, a certain volume of iron ore is placed on a suspension in a shaft. The suspension can be connected to a winch or other lifting mechanism that is electrically powered. Thus, electrical energy, for example from the solar cells 101 used to pull or lift the iron ore up a certain amount within the shaft. When the iron ore is being lowered, a generator can be driven which converts the potential energy of the iron ore into electrical energy.

Eine solche Anordnung des Systems lässt sich sehr einfach nachrüsten, da hierfür keine Baumaßnahmen am Gebäude, bzw. der Gebäudestruktur direkt vorgenommen werden müssen. Stattdessen ist es ausreichend, einen entsprechenden Schacht auf dem Grundstück in der Nähe der Solarzellen 101 nachzurüsten.Such an arrangement of the system can be retrofitted very easily, since no construction work has to be carried out directly on the building or the building structure. Instead, it is sufficient to have a corresponding shaft on the property near the solar cells 101 to retrofit.

Das Eisenerz kann des Weiteren auch als Wärmespeicher verwendet werden, indem thermisch isolierte flexible Schläuche von den Sonnenkollektoren 102 zu dem Eisenerz angeordnet wird. In dem Volumen von Eisenerz kann dann ein möglichst langes Rohrsystem angeordnet sein, dass eine möglichst große Oberfläche in dem Eisenerzvolumen angrenzend hat. Wasser, welches von den Sonnenkollektoren 102 aufgeheizt wird, kann somit durch das Rohrsystem im Eisenerz geleitet werden und heizt damit das Eisenerz auf.The iron ore can furthermore also be used as a heat store by removing thermally insulated flexible hoses from the solar collectors 102 to which iron ore is placed. A pipe system that is as long as possible can then be arranged in the volume of iron ore, which pipe system has the largest possible surface in the iron ore volume. Water coming from the solar panels 102 is heated, can thus be passed through the pipe system in the iron ore and thus heats the iron ore.

Die gespeicherte Wärmeenergie im Eisenerz kann über den gleichen Wasserkreislauf oder über einen zweiten Wasserkreislauf dann verwendet werden, um über Wärmetauscher 210a-d Wärmeenergie in das Gebäude zu transportieren.The thermal energy stored in the iron ore can then be used via the same water cycle or via a second water cycle to use heat exchangers 210a-d To transport thermal energy into the building.

Durch die oben beschriebenen Ausführungsformen lassen sich laufende Kosten für das Gebäude reduzieren, da keine Heizkosten, keine Heizanlage und keine Stromkosten von externen Anbietern benötigt werden.With the embodiments described above, running costs for the building can be reduced, since no heating costs, no heating system and no electricity costs from external providers are required.

Außerdem lässt sich durch die oben beschriebene Heizung mit Wasser der Primärenergiebedarf eines Haushalts um etwa 80 % reduzieren.In addition, the heating with water described above can reduce the primary energy requirement of a household by around 80%.

Mit der hierin beschriebenen Erfindung lässt sich ein Energiespeichersystem mit geringem Ressourceneinsatz verwirklichen, da kein Abbau von seltenen Erden für die Produktion von Batterien speichern benötigt wird. Zudem ist das Energiespeichersystem zusammen mit weiteren Gebäuden beliebig skalierbar und ermöglicht so einen größeren Zusammenschluss von dezentralen speichern für erneuerbare Energien, wenn mehrere Gebäude mit dem Energiespeichersystem der vorliegenden Erfindung miteinander verbunden werden.With the invention described herein, an energy storage system can be realized with low use of resources, since no mining of rare earths is required for the production of batteries. In addition, the energy storage system can be scaled as desired together with other buildings and thus enables a larger grouping of decentralized stores for renewable energies when several buildings are connected to one another with the energy storage system of the present invention.

Auch gibt es keine weitere Umweltzerstörung für Energiespeicherung, da keine Stauseen angelegt werden müssen, wenn viele Gebäude auf die oben beschriebene Art und Weise miteinander verbunden werden und als Gesamtenergiespeicher fungieren. Dadurch erzielt die Erfindung ein echt nachhaltiges System, bei dem weder starker Ressourceneinsatz im Vorfeld für den Bau, noch problematische Abfälle der Batterie nach Ende des Einsatzes anfallen. Dies ist insbesondere im Vergleich zu herkömmlichen Energiespeichern in Gebäuden von Vorteil, da hier in der Regel elektrische Batteriespeicher zum Einsatz kommen, deren Herstellung und auch Entsorgung in der Umweltbilanz sehr schlecht abschneiden.There is also no further environmental destruction for energy storage, since no reservoirs have to be created if many buildings are connected to one another in the manner described above and function as total energy storage. In this way, the invention achieves a genuinely sustainable system in which there is neither a heavy use of resources in the run-up to construction nor problematic waste from the battery after the end of its use. This is particularly advantageous in comparison to conventional energy storage systems in buildings, since electrical battery storage systems are generally used here, the manufacture and disposal of which do very poorly in the environmental balance sheet.

Des Weiteren ist die Wiederverwendbarkeit des Energiespeichersystems gemäß der Erfindung nicht beschränkt und es können unendlich viele Lade- und Entlade-Zyklen durchlaufen werden, da nicht durch eine obere Grenze limitiert ist, wie dies bei herkömmlichen Batteriespeichern üblich ist. Dadurch tritt kein Alterungseffekt des Speichersystems auf, wie er in herkömmlichen Batteriespeichern bekannt ist.Furthermore, the reusability of the energy storage system according to the invention is not restricted and an infinite number of charging and discharging cycles can be carried out, since there is no upper limit, as is usual with conventional battery storage systems. As a result, there is no aging effect of the storage system, as is known in conventional battery storage systems.

Mit der oben beschriebenen Erfindung und den oben beschriebenen Ausführungsformen werden energieautarke Haushalte geschaffen und eine dezentrale Netzlösung wird somit ermöglicht. Dies ist insbesondere in abgelegenen Gegenden der Erde vorteilhaft.With the invention described above and the embodiments described above, energy self-sufficient households are created and a decentralized network solution is thus made possible. This is particularly beneficial in remote areas of the world.

Auch in einem größeren Bild des Energieverbrauchs kann die vorliegende Erfindung dazu beitragen, den CO2 Ausstoß spürbar zu verringern, da die Privathaushalte in Deutschland in etwa zu einem Viertel der gesamten Primärenergie beitragen.Even in a larger picture of energy consumption, the present invention can help to noticeably reduce CO2 emissions, since private households in Germany contribute around a quarter of the total primary energy.

Claims (10)

System in einem Gebäude zum Umwandeln und Speichern von Energie, wobei erzeugte Energie sowohl in potentielle Energie als auch in Wärmeenergie desselben Mediums umgewandelt und gespeichert wird, wobei die erzeugte Energie elektrische Energie und thermische Energie umfasst, wobei das System umfasst: eine elektrische Energiequelle (101), insbesondere eine Solarzellenanordnung, die eingerichtet ist, die elektrische Energie zu erzeugen und/oder abzugeben; einen Energiewandler (105), insbesondere ein Generator, eine Pumpe und/oder eine Turbine, der eingerichtet ist zum: Umwandeln von wenigstens einem Teil der elektrischen Energie von der elektrischen Energiequelle in die potentielle Energie einer Flüssigkeit, und Umwandeln von gespeicherter potentieller Energie der Flüssigkeit in elektrische Energie; eine thermische Energiequelle (102), insbesondere eine Anordnung von Sonnenkollektoren, die eingerichtet ist, die thermische Energie zu erzeugen, wobei die thermische Energie in Form von der Wärmeenergie der Flüssigkeit gespeichert wird; und einen Wärmetauscher (210a-d), der konfiguriert ist, die Wärmeenergie der Flüssigkeit gesteuert aufzunehmen und/oder abzugeben.System in a building for converting and storing energy, wherein generated energy is converted and stored both in potential energy and in thermal energy of the same medium, wherein the generated energy comprises electrical energy and thermal energy, the system comprising: an electrical energy source (101), in particular a solar cell arrangement, which is set up to generate and / or output the electrical energy; an energy converter (105), in particular a generator, a pump and / or a turbine, which is set up to: Converting at least a portion of the electrical energy from the electrical energy source into the potential energy of a liquid, and Converting stored potential energy of the liquid into electrical energy; a thermal energy source (102), in particular an arrangement of solar collectors, which is set up to generate the thermal energy, the thermal energy being stored in the form of the thermal energy of the liquid; and a heat exchanger (210a-d) which is configured to receive and / or release the thermal energy of the liquid in a controlled manner. System nach Anspruch 1, wobei der Wärmetauscher (210a-d) ein Heizungssystem für das Gebäude umfasst.System according to Claim 1 wherein the heat exchanger (210a-d) comprises a heating system for the building. System nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Energiewandler (105) eine Turbine umfasst, die eingerichtet ist zum: Pumpen des Wassers von einem unteren Becken (111) in ein oberes Becken (110), und Antreiben eines Generators zum Erzeugen von elektrischer Energie, wenn Wasser von dem oberen Becken (110) in das untere Becken (111) fließt.System according to Claim 1 or 2 wherein the energy converter (105) comprises a turbine configured to: pump water from a lower basin (111) to an upper basin (110), and drive a generator to produce electrical energy when water is from the upper basin (110) flows into the lower basin (111). System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das obere Becken (110) und das untere Becken (111) über eine Leitung (108) miteinander verbunden sind, wobei der Energiewandler (105) an die Leitung (108) angeschlossen ist.System according to one of the Claims 1 to 3rd , wherein the upper basin (110) and the lower basin (111) are connected to one another via a line (108), the energy converter (105) being connected to the line (108). System nach Anspruch 4, wobei die Leitung (106) des Weiteren den Wärmetauscher (210a-d) mit dem oberen Becken (110) und dem unteren Becken (111) verbindet.System according to Claim 4 wherein the conduit (106) further connects the heat exchanger (210a-d) to the upper basin (110) and the lower basin (111). System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Wärmetauscher (210a-d) des Weiteren eingerichtet ist, um Wärme zum Heizen oder Kühlen aus dem Wasser abzugeben oder in das Wasser zu leiten.System according to one of the Claims 1 to 5 , wherein the heat exchanger (210a-d) is further configured to release heat for heating or cooling from the water or to conduct it into the water. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die elektrische Energiequelle (101) des Weiteren einen Anschluss in ein externes Stromnetz (107) umfasst und des Weiteren eingerichtet ist zum: Aufnehmen von elektrischer Energie aus dem externen Stromnetz, und Abgeben von elektrischer Energie von dem Energiewandler in das externe Stromnetz.System according to one of the Claims 1 to 6th , wherein the electrical energy source (101) further comprises a connection to an external power grid (107) and is further configured to: receive electrical energy from the external power grid, and output electrical energy from the energy converter to the external power grid. System nach Anspruch 7, wobei das System als Teil eines dezentralen Speicherkraftwerkes implementiert ist und eingerichtet ist, um Stromspitzen in dem externen Stromnetz (107) zu speichern, die insbesondere durch Solarenergie und Windenergie erzeugt werden.System according to Claim 7 , wherein the system is implemented as part of a decentralized storage power plant and is set up to store current peaks in the external power grid (107), which are generated in particular by solar energy and wind energy. System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei Kapazitäten der elektrischen Energiequelle (101) und der thermischen Energiequelle (102) so ausgelegt sind, dass sie gemittelt mehr Energie erzeugen als ein durchschnittlicher Haushalt verbraucht.System according to one of the Claims 1 to 8th , wherein capacities of the electrical energy source (101) and the thermal energy source (102) are designed such that, on average, they generate more energy than an average household consumes. System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das System zum Speichern von Energie: ein nachhaltiges System ist, welches keinen starken Ressourceneinsatz für dessen Herstellung benötigt und welches keine problematischen Abfälle nach Ende dessen Einsatzes hinterlässt, und keine Beschränkung von Lade- und Entlade-Zyklen umfasst.System according to one of the Claims 1 to 9 , whereby the system for storing energy: is a sustainable system which does not require a large amount of resources for its production and which does not leave any problematic waste behind after its use has ended, and does not include any limitation of charge and discharge cycles.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102018000481A1 (en) * 2018-01-23 2019-07-25 Bernd Finkbeiner MICRO - PUMP STORAGE

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