DE102019212059A1

DE102019212059A1 - System und Verfahren zur Speicherung und Abgabe von Energie

Info

Publication number: DE102019212059A1
Application number: DE102019212059.8A
Authority: DE
Inventors: Armin Sulzmann
Original assignee: Delta Energy & Co KG 1 GmbH
Current assignee: Delta Energy & Co KG 1 GmbH
Priority date: 2019-08-12
Filing date: 2019-08-12
Publication date: 2021-02-18
Also published as: WO2021027996A1; AT526538A5

Abstract

Ein System zur Speicherung und Abgabe von Energie umfassend mindestens einen Lageenergiespeicher (1) und mindestens einen chemischen Energiespeicher (2, 3), wobei der Lageenergiespeicher (1) und der chemische Energiespeicher (2, 3) miteinander wirkverbunden sind, so dass elektrische Leistung zwischen diesen austauschbar ist und wobei der Lageenergiespeicher (1) und der chemischen Energiespeicher (2, 3) mit einem Stromnetz (6) verbindbar sind, um von diesem elektrische Leistung aufzunehmen und elektrische Leistung an dieses abzugeben. Des Weiteren ist Verfahren zum Betrieb eines Systems zur Speicherung und Abgabe von Energie angegeben.

Description

Aus der Praxis sind unterschiedliche Lageenergiespeicher zur Zwischenspeicherung von elektrischer Energie vorbekannt. Diese dienen bspw. zur Zwischenspeicherung, wenn bei einer zu geringen Nachfrage ein Überangebot an elektrischer Leistung im Stromnetz besteht. Die durch das Pumpspeicherkraftwerk gespeicherte Energie kann in Zeiten erhöhter Nachfrage in das Stromnetz zurück gespeist werden, um somit Nachfragespitzen abzufangen.
Die Funktion eines Pumpspeicherkraftwerks beruht auf der Umwandlung von elektrischer Energie in potentielle Energie von Wasser, indem das Wasser von einem Tiefbecken in ein höher liegendes Speicherbecken heraufgepumpt und somit die potentielle Energie des Wassers erhöht wird. Zur Umwandlung der potentiellen Energie des Wassers in elektrische Energie wird das Wasser von dem Speicherbecken in das tiefer gelegene Tiefbecken abgelassen und treibt dabei eine Turbine an, mittels welcher elektrische Leistung erzeugbar ist. Der Wirkungsgrad eines Pumpspeicherkraftwerks liegt bei ca. 75% bis 80%.
Des Weiteren sind Lageenergiespeicher vorbekannt, die eine Zylinder-Kolben-Anordnung aufweisen, wobei zur Zwischenspeicherung von Energie die potentielle Energie der Kolbenmasse erhöht wird, indem eine Flüssigkeit unterhalb des Kolben in den Zylinder eingebracht wird, so dass die Kolbenmasse angehoben wird. Lediglich beispielhaft wird hierzu auf die DE 10 2016 205 856 A1 verwiesen.
Im Stromnetz müssen die Erzeugung und der Verbrauch von Strom jederzeit übereinstimmen, damit die Netzfrequenz konstant bleibt. Bei der Stromerzeugung kann es jedoch zu unvorhergesehenen Abweichungen gegenüber den prognostizierten Werten kommen, beispielsweise durch ungeplante Kraftwerksausfälle oder Leistungsschwankungen erneuerbarer Energien. Gleiches gilt für die Stromnachfrage. In Deutschland sind die Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB) dafür verantwortlich, solche unvorhergesehenen Abweichungen auszugleichen. Dazu halten sie positive und negative Regelleistung in drei verschiedenen Qualitäten (Primärregelleistung (PRL), Sekundärregelleistung (SRL) und Minutenreserveleistung) vor und setzen sie im Bedarfsfall kurzfristig ein.
Die Regelleistungssegmente unterscheiden sich sowohl in technischer Hinsicht als auch in Bezug auf ihr Abrufprinzip und ihre Abrechnungsmodalitäten.
Primärregelleistung wird automatisch vom Netzbetreiber aktiviert und muss innerhalb von 30 Sekunden für bis zu 15 Minuten zur Verfügung stehen. Sekundärregelleistung wird ebenfalls automatisch aktiviert und muss innerhalb von fünf Minuten zur Verfügung stehen.
Die bekannten Lageenergiespeicher ermöglichen zwar eine effiziente Zwischenspeicherung von Energie, jedoch sind diese relativ träge und somit nicht dazu geeignet Regelenergie zum schnellen Ausgleich der Netzfrequenz zu liefern.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein System zur Speicherung und Abgabe von Energie anzugeben, bei dem mit konstruktiv einfachen Mitteln eine schnelle und effiziente Zwischenspeicherung von Energie sowie die kurzfristige Abgabe von Energie möglich ist. Des Weiteren soll ein Verfahren zum Betrieb eines Systems zur Speicherung und Abgabe von Energie angegeben werden.
In Bezug auf das System wird die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Darin ist ein System zur Speicherung und Abgabe von Energie beschrieben, umfassend mindestens einen Lageenergiespeicher und mindestens einen chemischen Energiespeicher, wobei der Lageenergiespeicher und der chemische Energiespeicher miteinander wirkverbunden sind, so dass elektrische Leistung zwischen diesen austauschbar ist und wobei der Lageenergiespeicher und der chemischen Energiespeicher mit einem Stromnetz verbindbar sind, um von diesem elektrische Leistung aufzunehmen und elektrische Leistung an dieses abzugeben.
Es ist erkannt worden, dass durch den erfindungsgemäßen Aufbau aus mindestens einem Lageenergiespeicher und mindestens einem chemischen Energiespeicher durch das System zumindest im Wesentlichen alle Formen von Regelenergie (Primär-Sekundärregelleistung und Minutenreserve) zum schnellen Ausgleich der Netzfrequenz geliefert werden können, was bisher weder durch konventionelle Kraftwerke noch durch chemische Speicher alleine geleistet werden kann. Die Komponenten des Systems könnten zur Realisierung von einem Niederspannungsnetz bis hin zu einem 380-kV-Höchstspannungsnetz verbunden sein.
Dabei ist weiterhin erkannt worden, dass chemische Energiespeicher, beispielsweise Batteriespeicher unter anderem schneller und präziser eingreifen können als ein gängiger Lageenergiespeicher oder mehrere Lageenergiespeicher und Probleme mit schlagartigen Leistungsabfällen zuverlässig gelöst werden können. Generell sind wichtige Kennzahlen von Speicherkraftwerken die Leistung und die Speicherkapazität. Letztere gibt an, welche Menge an Energie der Speicher aufnehmen kann. Das erfindungsgemäße System kann in idealer Weise zur Erbringung von Systemdienstleistungen dienen. Eine Anwendung im kleineren Rahmen kann die Netzstabilisierung in Stromnetzen mit ungenügender Regelleistung sein. Ein weiterer, wesentlicher Anwendungsbereich kann der Ausgleich von Erzeugung und Verbrauch sein, insbesondere der Leistungsausgleich von nicht nachfragorientierten erneuerbaren Energiequellen wie Wind- und Solarstromkraftwerken. Neben Regelleistung können chemische Speicher, insbesondere Batteriespeicher, aufgrund der praktisch trägheitslosen Steuerung und schnellen Reaktionsfähigkeit auch zur Spannungsregulierung in Wechselspannungsnetzen eingesetzt werden. Sie können dabei der Steuerung der Blindleistung dienen und können ggf. statische Blindleistungskompensatoren in deren Funktion ergänzen. Außerdem ist ein erfindungsgemäßes System in weiter vorteilhafter Weise schwarzstartfähig.
Ein weiterer Vorteil von chemischen Energiespeichern, insbesondere von Batteriespeichern, sind die für energietechnische Systeme extrem kurzen Regelzeiten und Startzeiten. Beispielsweise ist denkbar, dass im Bereich von 20 ms ein chemischer Energiespeicher eines erfindungsgemäßen Systems auf Volllast betreibbar ist, da keine mechanisch zu bewegenden Massen vorhanden sind. Damit können diese Systeme nicht nur zur Abdeckung von Spitzenleistung im Minutenbereich dienen, sondern auch zur Dämpfung von kurzfristigen Oszillationen im Sekundenbereich, bei an den Kapazitätsgrenzen betriebenen elektrischen Energienetzen. Diese Instabilitäten äußern sich in Spannungsschwankungen mit Perioden bis zu einigen 10 Sekunden und können sich in ungünstigen Fällen zu hohen Amplituden aufschwingen, welche zu überregionalen Stromausfällen führen können. Dem können ausreichend stark dimensionierte erfindungsgemäße Systeme entgegenwirken.
Weiterhin ist es denkbar, dass ein erfindungsgemäßes System die kurzfristige Intermittenz erneuerbarer Energiequellen kompensieren könnte, indem es Stromversorgungsschwankungen ausgleicht. Alternativ oder zusätzlich könnte es zur Überbrückung der Aufbau- und Abfallphasen beim Wechsel zwischen Stromerzeugungsverfahren beitragen und eine mitlaufende Reserve bereitstellen. Je nach Art der Anwendung variiert der Zeitraum, für den eine Überbrückungsstromversorgung erforderlich ist, zwischen Sekunden, Minuten bis zu Stunden.
Das erfindungsgemäße System könnte auch eine wichtige Aufgabe bei der Stromversorgungsqualität übernehmen, indem es bei Bedarf für eine vorübergehende Spannungsstabilisierung sorgt und gleichzeitig kontinuierlich Regulierungsfunktionen ausführt. Als Beispiel sei hier ein Schwerpunkt erläutert, wie batteriebasierte Energiespeichertechnologien helfen könnten, den Photovoltaik-Eigenverbrauch in vernetzten Installationen zu fördern. Ähnlich verhält sich dies mit Wind, Wasserkraft oder Brennstoffzellen. Das bedeutet in der Praxis, dass eine „Zeitverschiebung“ erfolgen muss: Die tagsüber mit einer Leistungsspitze am Mittag produzierte PV-Energie muss zu allen Zeiten nach Bedarf zur Verfügung stehen. Dadurch wird sowohl der lokale Verbrauch maximiert als auch die Effizienz der PV-Anlage erhöht. Nur überschüssige Energie wird dann in das Netz eingespeist, die dem Besitzer der PV-Anlage unter Umständen während der Zeiträume mit Spitzenverbrauch mit einem höheren Tarif vergütet wird.
Durch die Implementierung von intelligenter Messtechnik und Echtzeitpreisbildung könnten nachfrageorientierte Steuerungstechniken eingesetzt werden. Sie könnten ein wichtiges Werkzeug für den Ausgleich von Last und Nachfrage in zukünftigen Verteilungsnetzen darstellen. Bei derartigen Marktmechanismen könnten Firmen als Endverbraucher eine aktive Rolle bei der Optimierung des Energieverbrauchs übernehmen und gleichzeitig die Kapitalrendite der PV-Anlage maximieren. Es ist denkbar, dass das erfindungsgemäße System dies mit allenfalls geringfügigen Einbußen beim Leistungskomfort ermöglicht.
Weiterhin ist es denkbar, dass erfindungsgemäße Systeme lokal und flächendeckend aufgebaut werden. Diese könnten somit zur Vergleichsmäßigung der durch Kraftwerke zu deckenden Last (Lastglättung) sowie zur Speicherung der Energieüberschüsse genutzt werden und so zu einem technisch effizienteren Einsatz der konventionellen Kraftwerke sowie der Vermeidung des Abregelns erneuerbarer Energien beitragen.
In vorteilhafter Weise könnte der Lageenergiespeicher eine Zylinder-Kolben-Einrichtung aufweisen. Dieser könnte als im Wesentlichen vertikal angeordnete Zylinder-Kolben-Anordnung realisiert sein, wobei der Kolben eine zu hebende Masse darstellt, wobei von einer Pumpeinrichtung Flüssigkeit in den Zylinder unterhalb des Kolbens förderbar ist, um die potentielle Energie der Kolbenmasse durch Anheben des Kolbens zu erhöhen, wobei eine Wandlereinrichtung angeordnet ist, wobei der Wandlereinrichtung bei einem Absenken des Kolbens die im Zylinder befindliche Flüssigkeit zuführbar ist, um zumindest einen Teil der potentiellen Energie der Kolbenmasse in elektrische Energie umzuwandeln. Durch das Anheben des Kolbens erhöht sich die potentielle Energie der Kolbenmasse, was zur Energiespeicherung genutzt wird. Folglich wird in raffinierter Weise die Kolbenmasse genutzt, um die elektrische Energie als potentielle Energie zu speichern. Die gesamte Vorrichtung baut extrem klein, wenn der Kolben aus einem Material mit einer hohen Dichte hergestellt ist, da nämlich die potentielle Energie proportional zu der angehobenen Masse ist, so dass bereits bei einem relativ geringen Höhenunterschied ausreichend potentielle Energie der Kolbenmasse vorliegt. Es ist somit insbesondere möglich, zumindest den Zylinder unterirdisch anzuordnen, um Eingriffe in die Landschaft auf ein Mindestmaß zu reduzieren. Des Weiteren ist die benötigte Flüssigkeitsmenge gering, so dass das Flüssigkeitsreservoir relativ klein dimensioniert sein kann. In vorteilhafter Weise besteht der Kolben zumindest teilweise aus einem Abfallstoff bzw. Recyclingstoff. Der Abfallstoff kann dabei mit einem Bindemittel versetzt sein. In idealer Weise kann es sich bei dem Abfallstoff um Schlacke, insbesondere um Stahlschlacke, handeln. Diese kann mit einem Bindemittel versetzt werden und weist sodann eine Dichte von ca. 5000 kg/m³ auf, was in etwa dem Fünffachen der Dichte von Wasser (ca. 1.000 kg/m³) entspricht. Neben der hohen Dichte hat die Schlacke den weiteren Vorteil, dass diese als Abfallstoff preiswert ist und somit die gesamte Vorrichtung günstig in der Herstellung ist.
Um die Konstruktion und somit den Aufbau der Vorrichtung möglichst einfach auszugestalten, kann der Kolben mehrere übereinander angeordnete Segmente aufweisen. Die Segmente können scheibenförmig, insbesondere rund, viereckig, fünfeckig, sechseckig etc., ausgebildet sein. Beispielsweise können die Segmente auch die Form eines Kreisausschnittes, insbesondere eines Halbkreises, aufweisen. In vorteilhafter Weise sind die Segmente voneinander abnehmbar. Dabei ist denkbar, dass die Segmente miteinander korrespondierende Ausnehmungen und Erhebungen aufweisen, so dass die Segmente definiert und sicher aufeinander stapelbar sind. Im Konkreten können die Segmente einen Radius von 5 m bis 25 m, vorzugsweise von 10 m, und/oder jeweils ein Gewicht von 40 t bis 60 t, vorzugsweise von 50 t, aufweisen. Durch die segmentierte Ausgestaltung der Kolbenmasse kann die Vorrichtung mit relativ geringem Aufwand errichtet und gewartet werden. Die Zylinder-Kolben-Anordnung könnte im Konkreten entsprechend der in der WO 2017/174081 A1 beschriebenen Vorrichtung ausgebildet sein. Der Inhalt des Dokuments WO 2017/174081 A1 ist ausdrücklich Teil der hier vorliegenden Offenbarung.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn der chemische Energiespeicher als Batteriespeicher oder als Wasserstoffspeicher, insbesondere als reversible betreibbare Brennstoffzelle, ausgebildet ist. Der Begriff „Batteriespeicher“ ist im Rahmen der vorliegenden Offenbarung im weitesten Sinne zu verstehen. Ein Batteriespeicher kann beispielsweise eine einzelne Primärzelle oder Sekundärzellen oder eine Zusammenschaltung von mehreren Primärzellen oder Sekundärzellen sein. Insbesondere ist unter dem Begriff „Batteriespeicher“ auch ein Akkumulator zu verstehen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann es sich bei dem Batteriespeicher um einen Lithium-Manganoxid-Akkumulator, einen Bleisäure-Akkumulator, einen Nickel-Cadmium-Akkumulator oder einen Natrium-Schwefel-Akkumulator handeln. Entsprechende Batteriespeicher sind einfach herzustellen und weisen eine hohe Effizienz auf.
In vorteilhafter Weise kann ein lokales Objektnetz angeordnet sein, mit dem der Lageenergiespeicher und der chemische Energiespeicher verbunden sind. Somit ist auf einfache Weise ein Austausch von Energie zwischen den verschiedenen Energiespeichern möglich. Zusätzlich könnte das lokale Objektnetz einen Netzanschluss zur Verbindung mit einem Stromnetz aufweisen, so dass Energie zwischen dem lokalen Objektnetz und dem Stromnetz austauschbar ist.
In weiter vorteilhafter Weise können mehrere chemische Energiespeicher und/oder mehrere Lageenergiespeicher angeordnet sein. Somit könnte je nach Bedarf Energie bzw. elektrische Leistung zwischen den verschiedenen Energiespeichern und ggf. einem Stromnetz austauschbar sein, nämlich je nach aktuellem Bedarf.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung könnte der chemische Energiespeicher räumlich getrennt von dem Lageenergiespeicher angeordnet sein, insbesondere in einem separaten Gebäude oder Container. Durch eine solche Konstruktion kann die Betriebssicherheit des Systems erheblich verbessert werden.
In weiter vorteilhafter Weise könnten Sensoren zur Bestimmung von Zustandsparametern des Lageenergiespeichers und/oder des chemischen Energiespeichers und/oder des lokalen Objektnetzes angeordnet sein. Durch die von den Sensoren ermittelten Messwerten kann die Steuerung des Systems sowie dessen Betriebssicherheit verbessert werden. Hierzu könnte zusätzlich eine Steuereinrichtung zum Betrieb des Lageenergiespeichers und des chemischen Energiespeichers angeordnet sein.
In besonders vorteilhafter Weise könnte die Steuereinrichtung eine Auswerteeinheit zur Auswertung der von den Sensoren übermittelten Signale, einen Leistungspotentialrechner, eine Zustandsbewertungseinheit, eine Kommunikationseinheit zur Austausch von Daten mit einem übergeordneten System und/oder einen Energie-Verteilrechner für den Lageenergiespeicher und den chemischen Energiespeicher aufweisen.
In Bezug auf das Verfahren wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch die Merkmale von Anspruch 13 gelöst. Damit ist ein Verfahren zum Betrieb eines Systems zur Speicherung und Abgabe von Energie, vorzugsweise nach einem der Ansprüche 1 bis 12, beansprucht, wobei bei einem Defizit externer elektrische Leistung in einem Stromnetz von dem Lageenergiespeicher und/oder von dem chemischen Energiespeicher elektrische Leistung an das Stromnetz abgegeben wird.
Die voranstehend in Bezug auf das erfindungsgemäße System beschriebenen Merkmale können verfahrensmäßig ausgestaltet sein. Folglich können diese Merkmale und die damit erzielten Vorteile ausdrücklich Teil des erfindungsgemäßen Verfahrens sein.
In vorteilhafter Weise könnte bei einem Überschuss an externer elektrischer Leistung in einem Stromnetz von dem Lageenergiespeicher und/oder von dem chemischen Energiespeicher externe elektrische Leistung von dem Stromnetz aufgenommen werden.
In besonders vorteilhafter Weise könnte, insbesondere während einer Anlaufphase, der chemische Energiespeicher elektrische Leistung an das Stromnetz abgeben, um die Differenz zwischen einer angeforderten externen elektrischen Leistung und der von dem Lageenergiespeicher abgegebenen elektrischen Leistung zu kompensieren. Alternativ oder zusätzlich könnte, insbesondere während einer Auslaufphase, ein Überschuss zwischen der angeforderten externen elektrischen Leistung und der von dem Lageenergiespeicher abgegebenen elektrischen Leistung von dem chemischen Speicher aufgenommen werden.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Anspruch 1 und dem Anspruch 13 nachgeordneten Ansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen

1 in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems,
2 in einer schematischen, perspektivischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines Lageenergiespeichers eines erfindungsgemäßen Systems,
3 eine beispielhafte zeitliche Leistungsabgabe eines erfindungsgemäßen Systems,
4 in einer weiteren schematischen Darstellung die zeitliche Leistungsabgabe gemäß 3,
5 eine weitere beispielhafte zeitliche Leistungsabgabe eines erfindungsgemäßen Systems, und
6 in einer weiteren schematischen Darstellung die zeitliche Leistungsabgabe gemäß 5.

1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems zur Speicherung und Abgabe von Energie. Das System weist einen Lageenergiespeicher 1 und einen chemischen Energiespeicher 2 auf. In der Beschreibung der 1 bis 6 wird der chemische Energiespeicher 2 als Batteriespeicher 3 bezeichnet, wobei es sich dabei auch um einen Wasserstoffspeicher handeln könnte.
Der Lageenergiespeicher 1 und der Batteriespeicher 3 sind in einem lokalen Objektnetz 4 angeordnet. Das lokale Objektnetz 4 verfügt über einen Netzanschluss 5, zur Kopplung an ein Stromnetz 6. Somit ist es möglich, dass elektrische Leistung zwischen dem Lageenergiespeicher 1 und der Batteriespeicher 3 und dem Stromnetz 6 ausgetauscht wird.
Um Zustandsparameter des Lageenergiespeichers 1, des Batteriespeicher 3 und/oder des lokalen Objektnetzes 4 zu bestimmen, sind Sensoren 7 vorgesehen. Die von den Sensoren 7 erfassten Zustandsparameter können von einer Steuereinrichtung 8 zum Betrieb des Systems genutzt werden. Insbesondere kann von der Steuereinrichtung 8 bestimmt werden, ob dem Lageenergiespeicher 1, dem Batteriespeicher 3 und/oder dem Stromnetz 6 elektrische Leistung zugeführt oder von einem bzw. mehreren dieser Komponenten elektrische Leistung abgeführt wird.
Mit anderen Worten kann die Steuereinrichtung 8 eine Logik (Software) zur Steuerung des gesamten Systems aufweisen und beispielsweise eine Auswerteeinheit für die von dem Sensoren 7 gemessenen Zustandsparameter, einen Leistungspotentialrechner, eine Zustandsbewertung, eine Kommunikationseinheit zu übergeordneten Systemen (bspw. einem Stromnetz) sowie einen Energie-Verteilrechner für den Lageenergiespeicher 1 und/oder den Batteriespeicher 3 aufweisen. Die Kommunikationseinheit zu einem übergeordneten System stellt die Schnittstelle zu externen Systemen dar. Von dort aus können Steuerbefehle zur Freigabe oder Aufnahme von elektrischer Leistung erteilt werden.
2 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel des Lageenergiespeichers 1 eines erfindungsgemäßen Systems zum Speichern und Abgeben von Energie. Der Lageenergiespeicher 1 umfasst einen Kolben 9, der innerhalb eines vertikal angeordneten Zylinders 10 vorgesehen ist. Der Zylinder 10 ist in diesem Ausführungsbeispiel unterhalb der Erdoberfläche 11 realisiert und weist einen Zylinderboden 12 auf. Unterhalb des Zylinderbodens 12 ist ein Aufnahmebereich 13 vorgesehen. Des Weiteren sind in dem Zylinderboden 12 mehrere Durchgänge 14 ausgebildet, so dass eine Flüssigkeit von dem Aufnahmebereich 13 über die Durchgänge 14 in den Zylinder 10 unterhalb des Kolbens 9 förderbar ist. Somit ist der Kolben 9 anhebbar, nämlich zur Erhöhung der potentiellen Energie der Kolbenmasse.
Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Aufnahmebereich 13 schalenförmig ausgebildet und wirkt der Zylinderboden 12 als Deckel für den Aufnahmebereich 13.
An dem Aufnahmebereich 13 ist weiterhin ein Zulauf 15 vorgesehen, der über eine erste Leitung 16 mit einer Pumpeinrichtung 17 verbunden ist. Die erste Leitung 16 bzw. der Zulauf 15 sind über ein nicht dargestelltes Ventil verschließbar. Über die Pumpeinrichtung 17 kann dem Aufnahmebereich 13 und somit auch dem Zylinder 10 aus einem Reservoir 18 eine Flüssigkeit - bspw. Wasser oder ein Öl - zugeführt werden.
Des Weiteren ist eine Wandlereinrichtung 19 über eine zweite Leitung 20 mit einem Ablauf 21 des Aufnahmebereichs 13 verbunden. Die zweite Leitung 20 kann ebenfalls über ein nicht dargestelltes Ventil verschlossen werden.
Um elektrische Energie zu speichern wird der Pumpeinrichtung 17 die zu speichernden elektrische Energie zur Verfügung gestellt und somit Flüssigkeit aus dem Reservoir 18 über die erste Leitung 16 in den Aufnahmebereich 13 eingebracht. Von dem Aufnahmebereich 13 strömt die Flüssigkeit über die Durchgänge 14 unterhalb des Kolbens 9 in den Zylinder 10. Die zweite Leitung 20 ist dabei verschlossen, so dass der Kolben 9 durch die einströmende Flüssigkeit angehoben wird und sich die potentielle Energie der Kolbenmasse proportional zu der Höhendifferenz erhöht. Sobald der Kolben 9 die gewünschte Höhe erreicht hat, kann die erste Leitung 16 mittels eines Ventils verschlossen werden. Um die potentielle Energie der Kolbenmasse wieder in elektrische Energie zu überführen, wird die zweite Leitung 20 geöffnet, so dass sich der Kolben 9 absenkt und die Flüssigkeit über die zweite Leitung 20 zu der Wandlereinrichtung 19 - beispielsweise eine Turbine - presst. Über die Flüssigkeit wird die Wandlereinrichtung 19 angetrieben und erzeugt elektrische Energie, die dem Netz zur Verfügung gestellt werden kann.
Die 3 und 4 zeigen ein Ausführungsbeispiel des zeitlichen Leistungsverlaufs eines erfindungsgemäßen Systems und dienen somit auch zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Eine beispielhafte zeitliche Abfolge von Ein- oder Ausspeisung der Energie bzw. elektrischen Leistung in und aus beiden Komponenten, d.h. dem Lageenergiespeicher 1 und dem Batteriespeicher 3, gemäß der sog. symmetrischen Fahrweise ist nachstehend beschrieben. Dabei ist in 3 mit Bezugszeichen 22 die von dem Lageenergiespeicher 1 bereitgestellte elektrische Leistung, mit Bezugszeichen 23 die von dem Batteriespeicher 3 bereitgestellte elektrische Leistung, mit Bezugszeichen 24 die von dem Batteriespeicher 3 aufgenommene elektrische Leistung, mit Bezugszeichen 25 gesamte bereitgestellte elektrische Leistung und mit Bezugszeichen 26 die angeforderte elektrische Leistung dargestellt.

1.) Der Lageenergiespeicher 1 startet parallel zum Batteriespeicher 3 und beide Komponenten geben einen unterschiedlichen Anteil der elektrischen Leistung bzw. Regelenergie ab.
2.) Dabei kann der schnelle Batteriespeicher 3 seine elektrische Leistung konform zur angeforderten Leistung abgeben und regelt mit dem Hochlaufen der Leistungsabgabe des Lageenergiespeichers 1 seine Leistungsabgabe wieder zurück.
3.) Es entsteht eine Anlaufphase 27 und Auslaufphase 28 der elektrischen Leistungsabgabe oder Leistungsaufnahme der beiden Komponenten.
4.) Der Batteriespeicher 3 erzielt tendenziell eine zeitlich kürzere Abgabe oder Aufnahme von elektrischer Leistung, kann diese elektrische Leistung aber relativ schnell aufnehmen oder abgeben (beispielsweise innerhalb von 20ms bis 50ms). Der Batteriespeicher 3 kann die Anlaufphase 27 der Leistungsabgabe des Lageenergiespeichers 1 kompensieren und die elektrische Leistung entsprechend der angeforderten elektrischen Leistung 26 nach außen (ins Netz) abgeben.
5.) der Batteriespeicher 3 kann in der Auslaufphase 28 der Leistungsabgabe des Lageenergiespeicher 1 diese überschüssige elektrische Leistung kompensieren und die überschüssige elektrische Leistung 24 entsprechend der angeforderten elektrischen Leistung 26 nach außen (ins Netz) aufnehmen. Ins Netz wird dann nur noch entsprechend dem Anforderungsprofil abgeben.

Hervorzuheben ist, dass im Auslaufen des Lageenergiespeichers 1 der Batteriespeicher 3 wieder geladen wird und beispielweise nach weiteren 15 Minuten wieder für die Hochlaufphase bereitsteht. Hierdurch kann der Batteriespeicher 3 auf die Hälfte reduziert werden oder die Leistungsabgabe verdoppelt werden. Der viel größere Lageenergiespeicher 1 dient als Reservoir für mehrere Leistungsanforderungen in kurzer Zeit.
Die 5 und 6 zeigen ein Ausführungsbeispiel des zeitlichen Leistungsverlaufs eines erfindungsgemäßen Systems und dienen somit auch zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Eine beispielhafte zeitlich flexible Ein- oder Ausspeisung der Energie bzw. elektrischen Leistung in und aus beiden Komponenten, d.h. dem Lageenergiespeicher 1 und dem Batteriespeicher 3, gemäß der sog. asymmetrischen Fahrweise ist nachstehend beschrieben. Dabei ist in 5 mit Bezugszeichen 22 die von dem Lageenergiespeicher 1 bereitgestellte elektrische Leistung, mit Bezugszeichen 23 die von dem Batteriespeicher 3 bereitgestellte elektrische Leistung, mit Bezugszeichen 24 die von dem Batteriespeicher 3 aufgenommene elektrische Leistung, mit Bezugszeichen 25 gesamte bereitgestellte elektrische Leistung und mit Bezugszeichen 26 die angeforderte elektrische Leistung dargestellt.

1.) Der Lageenergiespeicher 1 und dem Batteriespeicher 3 können unabhängig elektrische Leistung aufnehmen oder abgeben.
2.) Während eine Komponenten, d.h. der Lageenergiespeicher 1 oder der Batteriespeicher 3, elektrische Leistung abgibt, kann die andere Komponente elektrische Leistung aufnehmen.
3.) Der Lageenergiespeicher 1 erzielt tendenziell eine zeitlich längere Abgabe von elektrischer Leistung, kann diese aber nicht sofort abgeben. Der Lageenergiespeicher 1 weist eine in 3 dargestellte Anlaufphase 27 und eine Auslaufphase 28 der Leistungsabgabe oder Leistungsaufnahme auf.
4.) Der Batteriespeicher 2 erzielt tendenziell eine zeitlich kürzere Abgabe von elektrischer Leistung, kann diese aber sofort abgeben (beispielsweise innerhalb on 20ms bis 50ms). Der Batteriespeicher kann die Anlaufphase 27 der Leistungsabgabe des Lageenergiespeichers 1 kompensieren und die elektrische Leistung entsprechend der angeforderten elektrischen Leistung 26 nach außen (ins Netz) abgeben.
5.) Der Batteriespeicher 3 kann in der Auslaufphase 28 der Leistungsabgabe des Lageenergiespeichers 1 diese überschüssige elektrische Leistung kompensieren und die elektrische Leistung 24 entsprechend der angeforderten elektrischen Leistung nach außen (ins Netz) aufnehmen. Ins Netz wird dann nur noch entsprechend der angeforderten elektrischen Leistung abgegeben.

Hervorzuheben ist, dass hier über die Laufzeit und im Auslaufen des Lageenergiespeichers 1 der Batteriespeicher 3 wieder geladen wird und beispielsweise nach weiteren 15 Minuten wieder für die Hochlaufphase bereit steht. Hierdurch kann auch hier der Batteriespeicher 3 auf die Hälfte reduziert werden oder die Leistungsabgabe verdoppelt werden. Der viel größere Lageenergiespeichers 1 dient als Reservoir für mehrere Leistungsanforderungen in kurzer Zeit.
Des Weiteren können Regelleistungserbringer zu einem Pool von erfindungsgemäßen Systemen zusammengeschlossen werden. In so einem Pool ist die Integration von erfindungsgemäßen Systemen denkbar. Droht der Ausfall einer Anlage, beispielsweise durch das Voll- oder Leerlaufen eines erfindungsgemäßen Systemens, kann eine weitere zurückgehaltene Anlage die Erbringung von Regelleistung übernehmen. Dabei ist zu beachten, dass die zurückgehaltene Leistung nicht vermarktet werden kann.
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Ansprüche verwiesen.
Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.
Bezugszeichenliste

1: Lageenergiespeicher
2: chemischer Energiespeicher
3: Batteriespeicher
4: Objektnetz
5: Netzanschluss
6: Stromnetz
7: Sensoren
8: Steuereinrichtung
9: Kolben
10: Zylinder
11: Erdoberfläche
12: Zylinderboden
13: Aufnahmebereich
14: Durchgang
15: Zulauf
16: erste Leitung
17: Pumpeinrichtung
18: Reservoir
19: Wandlereinrichtung
20: zweite Leitung
21: Ablauf
22: bereitgestellte Leistung (Lageenergiespeicher)
23: bereitgestellte Leistung (Batteriespeicher)
24: aufgenommene Leistung (Batteriespeicher)
25: Leistung (gesamt)
26: Leistung (angefordert)
27: Anlaufphase
28: Auslaufphase

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016205856 A1 [0003]
WO 2017/174081 A1 [0018]

Claims

System zur Speicherung und Abgabe von Energie umfassend mindestens einen Lageenergiespeicher (1) und mindestens einen chemischen Energiespeicher (2, 3), wobei der Lageenergiespeicher (1) und der chemische Energiespeicher (2, 3) miteinander wirkverbunden sind, so dass elektrische Leistung zwischen diesen austauschbar ist und wobei der Lageenergiespeicher (1) und der chemischen Energiespeicher (2, 3) mit einem Stromnetz (6) verbindbar sind, um von diesem elektrische Leistung aufzunehmen und elektrische Leistung an dieses abzugeben.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lageenergiespeicher (1) eine Zylinder-Kolben-Einrichtung aufweist.
System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der chemische Energiespeicher (2, 3) als Batteriespeicher (3) oder als Wasserstoffspeicher, insbesondere als reversible betreibbare Brennstoffzelle, ausgebildet ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Batteriespeicher (3) um einen Lithium-Manganoxid-Akkumulator, einen Bleisäure-Akkumulator, einen Nickel-Cadmium-Akkumulator oder einen Natrium-Schwefel-Akkumulator.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein lokales Objektnetz (4) angeordnet ist, mit dem der Lageenergiespeicher (1) und der chemische Energiespeicher (2, 3) verbunden sind.
System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das lokale Objektnetz (4) einen Netzanschluss (5) zur Verbindung mit einem Stromnetz (6) aufweist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere chemische Energiespeicher (2, 3) und/oder mehrere Lageenergiespeicher (1) angeordnet sind.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der chemische Energiespeicher (2, 3) räumlich getrennt von dem Lageenergiespeicher (1) angeordnet ist, insbesondere in einem separaten Gebäude oder Container.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Sensoren (7) zur Bestimmung von Zustandsparametern des Lageenergiespeichers (1) und/oder des chemischen Energiespeichers (2, 3) und/oder des lokalen Objektnetzes (4) angeordnet sind.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung (8) zum Betrieb des Lageenergiespeichers (1) und des chemischen Energiespeichers (2, 3) angeordnet ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (8) eine Auswerteeinheit zur Auswertung von den Sensoren (7) übermittelten Signale, einen Leistungspotentialrechner, eine Zustandsbewertungseinheit, eine Kommunikationseinheit zur Austausch von Daten mit einem übergeordneten System und/oder einen Energie-Verteilrechner für den Lageenergiespeicher (1) und den chemischen Energiespeicher (2, 3) aufweist.
Verfahren zum Betrieb eines Systems zur Speicherung und Abgabe von Energie, vorzugsweise nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei bei einem Defizit externer elektrische Leistung in einem Stromnetz (6) von dem Lageenergiespeicher (1) und/oder von dem chemischen Energiespeicher (2, 3) elektrische Leistung (22, 23) an das Stromnetz (6) abgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Überschuss an externer elektrischer Leistung in einem Stromnetz (6) von dem Lageenergiespeicher (1) und/oder von dem chemischen Energiespeicher (2, 3) externe elektrische Leistung (24) von dem Stromnetz (6) aufgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass, insbesondere während einer Anlaufphase (27), der chemische Energiespeicher (2, 3) elektrische Leistung (23) an das Stromnetz (6) abgibt, um die Differenz zwischen einer angeforderten externen elektrischen Leistung (26) und der von dem Lageenergiespeicher (1) abgegebenen elektrischen Leistung (22) zu kompensieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass, insbesondere während einer Auslaufphase (28), ein Überschuss (24) zwischen der angeforderten externen elektrischen Leistung (26) und der von dem Lageenergiespeicher (1) abgegebenen elektrischen Leistung von dem chemischen Speicher (2, 3) aufgenommen wird.