DE102019133180A1 - Energy storage system for buildings - Google Patents
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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.
-
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.
Die Solarzellen
Das Steuersystem
Im Allgemeinen umfasst das Steuersystem
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das System ein oberes Becken
Die Leitung
Der Energiewandler
Beispielsweise kann das Gebäude einen Grundriss von 15 × 15 m2 aufweisen und sowohl das untere Becken
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
Wenn sich Wasser in dem oberen Becken
Gemäß einer Ausführungsform sind die Pumpe und die Turbine in dem Energiewandler
Die in den Figuren dargestellte Stromleitung mit den Stromanschlüssen
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
Wie in den Figuren zu erkennen, sind die Sonnenkollektoren
Der Zulauf
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
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
Um eine kontrollierte Abgabe der Wärmeenergie des Wassers zu gewährleisten, können sowohl das obere Becken
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
In
Insbesondere in wärmeren Regionen der Erde kann das System auch Wärmetauscher
Die Wärmetauscher
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
Bei Gebäuden mit Flachdach lassen sich auch nachträglich relativ einfach ein oberes Becken
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
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
Das Eisenerz kann des Weiteren auch als Wärmespeicher verwendet werden, indem thermisch isolierte flexible Schläuche von den Sonnenkollektoren
Die gespeicherte Wärmeenergie im Eisenerz kann über den gleichen Wasserkreislauf oder über einen zweiten Wasserkreislauf dann verwendet werden, um über Wärmetauscher
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)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE102019133180.3A DE102019133180A1 (en) | 2019-12-05 | 2019-12-05 | Energy storage system for buildings |
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DE102019133180.3A DE102019133180A1 (en) | 2019-12-05 | 2019-12-05 | Energy storage system for buildings |
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DE102019133180A1 true DE102019133180A1 (en) | 2021-06-10 |
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ID=75963071
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---|---|---|---|---|
DE102018000481A1 (en) * | 2018-01-23 | 2019-07-25 | Bernd Finkbeiner | MICRO - PUMP STORAGE |
-
2019
- 2019-12-05 DE DE102019133180.3A patent/DE102019133180A1/en active Pending
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DE102018000481A1 (en) * | 2018-01-23 | 2019-07-25 | Bernd Finkbeiner | MICRO - PUMP STORAGE |
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