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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Speicherung und Rückgewinnung von elektrischer Energie, welches - jedenfalls bei vereinfachter Betrachtung - auf einer adiabaten, vorzugsweise phasenwechselnden Energiespeicherung beruht. Insbesondere eignet sich dieses Verfahren zur kurz- und mittelfristigen Speicherung von aus regenerativen Quellen gewonnener elektrischer Energie nach deren Umwandlung in mechanische Energie. Dazu wird ein in der Dampf- bzw. Gasphase befindliches Speichermedium als Druckgasspeicher verwendet und mithilfe eines Kühlmittels komprimiert, wobei das Kühlmittel gleichzeitig als Wärmespeicher für die Kondensationswärme des Mediums dient. Die Erfindung betrifft außerdem eine Energiespeicheranordnung, die sich zur Durchführung eines solchen Verfahrens eignet.
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Im Rahmen der angestrebten verstärkten Nutzung regenerativer Energien besteht der gesteigerte Bedarf an einer kurz- und mittelfristigen Speicherung von elektrischer Energie, die aus fluktuierenden Quellen, also insbesondere Wind- und Solarkraftanlagen gewonnen wird. Dafür wurden unterschiedlichste Energiespeicher vorgeschlagen, denen verschiedene physikalische Prinzipien zugrunde liegen.
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Die
DE 10 2014 008 120 A1 beschreibt ein Verfahren zum Einspeichern elektrischer Energie mittels Gaskompression. Dazu wird ein Gas, bevorzugt Umgebungsluft komprimiert, wobei Kompressionswärme abgeführt wird. Es folgt zumindest einmaliges weiteres Komprimieren des Gases und anschließendes Abführen von Kompressionswärme. Im nächsten Schritt wird das komprimierte Gas in einem Gasdruckspeicher eingelagert. Bei Bedarf an Energie folgt ein Ausspeichern und Entspannen des komprimierten Gases. Beim Abführen der Kompressionswärme wird diese auf ein Speichermedium übertragen und dieses in einem Wärmespeicher eingespeichert. Beim Einspeichern des Speichermediums wird die Temperatur des Speichermediums zumindest teilweise mittels eines elektrischen Erhitzers auf eine Speichertemperatur angehoben. Die eingespeicherte Kompressionswärme wird für die Erwärmung des Gases beim Entspannen des komprimierten Gases genutzt. Dieses Verfahren zeigt aufgrund der mehreren benötigten Kompressionsstufen einen vergleichsweisen geringen Wirkungsgrad sowie einen hohen gerätetechnischen Aufwand.
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In der
EP 2 494 169 B1 ist ein adiabatisches Druckluftenergiespeicher-System (ACAES) beschrieben. Ein Kompressorsystem komprimiert Luft und umfasst dafür mehrere Kompressoren, eine Kompressorleitung, eine Luftspeichereinheit und ein Turbinensystem, das dafür ausgelegt ist, komprimierte Luft zu expandieren. Weiterhin ist ein thermisches EnergiespeicherSystem vorgesehen, welches thermische Energie aus der komprimierten Luft entfernt und diese bei der Expansion wieder zuführt. Das thermische Energiespeichersystem umfasst einen Behälter, mehrere Wärmetauscher, ein Mediumleitungssystem, ein flüssiges Medium, das innerhalb des Behälters gespeichert ist, mehrere Pumpen und ein thermisches Trennsystem, das innerhalb des Behälters positioniert ist und einen ersten Teil des flüssigen Mediums bei einer niedrigeren Temperatur von einem zweiten Teil des flüssigen Mediums bei einer höheren Temperatur thermisch isoliert. Das System hat einen komplexen Aufbau und zeigt ebenfalls einen schlechten Wirkungsgrad.
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Aus der
DE 10 2015 005 345 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt, die eine Druckgasspeicherung mit einem Wärmeträgerkreislauf so mit einer hydraulischen Druckhaltung kombinieren, dass der Gasdruck im Druckgasbehälter sowohl während der Speicherung als auch bei der Entnahme geregelt oder konstant gehalten werden kann, wodurch eine thermodynamisch vorteilhafte Be- und Entladung des Speichers mit Gas sowie dessen Kompression und Expansion mit optimalen Druckdifferenzen ermöglicht werden soll. Die Wärmebilanz des Wärmeträgerkreislaufes wird gesichert durch eine in den Kreislauf integrierte Flashverdampfung und eine Sattdampfturbinenanlage zur Stromerzeugung. Die Speicherung des Vor- und Rücklaufes des Wärmeträgerkreislaufes erfolgt getrennt bei pneumatischer Druckhaltung. Auch dieses System besitzt einen vergleichsweise komplexen Aufbau und erfordert zahlreiche Komponenten.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, ein verbessertes Verfahren zur Speicherung und Rückgewinnung von elektrischer Energie sowie eine Energiespeicheranordnung bereit zu stellen, die einen verbesserten Wirkungsgrad zeigen, standortunabhängig aufgebaut und eingesetzt werden können sowie einen vereinfachten anlagentechnischen Aufwand erfordern.
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Diese Aufgabe wird durch einen Verfahren gemäß dem beigefügten Anspruch 1 gelöst. Ebenso gibt die Erfindung eine Energiespeicheranordnung zur Lösung dieser Aufgabe an, welche im Anspruch 6 definiert ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Speicherung und Rückgewinnung von elektrischer Energie beruht zunächst auf der Erkenntnis, dass sich zahlreiche Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten adiabatischen Druckluftenergiespeicher-Systeme (ACAES) vermeiden lassen, wenn unter Beibehaltung des adiabatischen Prinzips auf eine gerätetechnische Trennung zwischen der Kompression/Dekompression eines als Speichermedium dienenden Gases und der Wärmeübertragung aus/zu diesem Gas verzichtet wird. Dies gelingt, indem das Kühlmittel, mit welchem dem Speichermedium während der Kompression Wärme entzogen wird, gleichzeitig als Kompressionsmittel genutzt wird.
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In einer Speicherphase des erfindungsgemäßen Verfahrens wird elektrische Energie, die vorzugsweise von einer regenerativen Quelle geliefert wird, gewandelt und gespeichert. Dazu wird zunächst ein Betriebsdrucks in einem mit Gas befüllten Druckbehälter erzeugt. Das Gas arbeitet als Speichermedium. Der Betriebsdruck wird im Druckbehälter im weiteren Verfahren nicht unterschritten, sodass für dessen Herstellung nur einmalig Energie aufgewendet werden muss, insbesondere durch druckbeaufschlagtes Befüllen des Druckbehälters mit dem Gas. Im folgenden Schritt wird die zu speichernde elektrische Energie an eine Ladepumpe bereitgestellt. Die Ladepumpe fördert daraufhin ein Kühlmittel, vorzugsweise Wasser aus einem Kühlmittelspeicher, an ein Sprühelement, welches sich in dem Druckbehälter befindet. Der Kühlmittelspeicher kann als eigenständige Einheit bereitgestellt werden oder durch ein natürliches Reservoir gebildet sein. Die Ladepumpe ist so dimensioniert, dass sie das Kühlmittel gegen den Betriebsdruck in den Druckbehälter fördert und dort über das Sprühelement versprüht. Das Kühlmittel kühlt das Gas im Druckbehälter und gleichzeitig erhöht sich der Druck des Gases, da ein wachsender Teil des Volumens im Druckbehälter vom Kühlmittel eingenommen wird. Der Druck steigt somit an, jedoch wirkt dem bei der Verwendung von Dampf entgegen, dass gleichzeitig Dampf durch die Kühlung auskondensiert, sodass der Druckanstieg viel geringer ausfällt, als wenn der Dampf ohne Kühlung komprimiert werden würde.
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Das Sprühelement ist im Druckbehälter oberhalb eines Maximalfüllstands angeordnet, sodass das eingesprühte Kühlmittel eine möglichst große Rieselstrecke durchläuft, bevor es sich am Boden des Druckbehälters sammelt.
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In einer Rückgewinnungsphase des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das unter Druck stehende Kühlmittel, insbesondere Wasser, aus dem Druckbehälter an eine Entladeturbine bereitgestellt, die dadurch angetrieben wird und elektrischen Strom erzeugt. Zur Rückgewinnung der gespeicherten Energie wird die von der Entladeturbine generierte elektrische Energie abgenommen, sodass sie einem elektrischen Verbraucher zugeführt werden kann.
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Als Kühlmittel bzw. Wärmespeichermedium für die bei der Kompression des Gases entstehende Wärme dient vorzugsweise Wasser, da es eine hohe Wärmekapazität bei geringen Kosten und hoher Verfügbarkeit besitzt. Durch die Verwendung des Kompressionsmittels gleichzeitig als Kühlmittel erfolgt die Wärmeabfuhr kontinuierlich, indem das Kühlmittel die Kompressionswärme absorbiert.
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Der anfängliche Betriebsdruck im Druckbehälter wird abhängig vom gewählten Gas vorbestimmt und so gewählt, dass einerseits möglichst viel Kühlmittel eingefördert werden kann, um viel Energie zu speichern, und dass andererseits das Kühlmittel im wesentlichen vollständig aus dem Druckbehälter aufgrund des Gasdrucks heraus gepresst wird, wenn gespeicherte Energie rückgewonnen werden soll. Da sowohl der Kühlmittelspeicher als auch der Druckbehälter vorzugsweise nicht isoliert werden, muss beim Betrieb die Umgebungstemperatur, insbesondere die des Kühlmittels, berücksichtigt werden. Der Druck im Druckbehälter wird dazu bevorzugt so eingestellt, dass die Dampftemperatur etwa gleich der Kühlmitteltemperatur (Wasser) ist. Dies kann durch Abpumpen bzw. Zuführen des Nassdampfes in/aus einen/m Vorratsbehälter geschehen.
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Bevorzugt verbleibt in der Rückgewinnungsphase immer eine Mindestmenge an Kühlmittel im Druckbehälter, sodass das Austreten von Gas aus dem Druckbehälter in die Entladeturbine durch den Flüssigkeitsspiegel verhindert wird.
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Vorzugsweise wird als Gas zum Befüllen des Druckbehälters Kohlendioxid oder Ethan oder auch Luft vewendet. Mit Ethan kann ein höherer Wirkungsgrad erreicht werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird beim Einsatz von Dampf der anfängliche Betriebsdruck im Druckbehälter so eingestellt, dass dieser in der Nähe der Taulinie des Nassdampfgebietes vorliegt.
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Vorteilhaft ist es, wenn das Kühlmittel von der Ladepumpe aus einem Kühlmittelspeicher gefördert wird und durch die Entladeturbine in den Kühlmittelspeicher zurück geführt wird. Alternativ kann aber auch mit einem „verlorenen“ Kühlmittel gearbeitet werden, beispielsweise wenn an einem fließenden Gewässer ausreichend Wasser als Kühlmittel zur Verfügung steht.
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Die erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung, mit welcher insbesondere das zuvor beschriebene Verfahren ausführbar ist, umfasst einen Druckbehälter zur Aufnahme eines unter Druck stehenden Gases. Weiterhin ist ein Kühlmittelspeicher vorgesehen, in welchem ein Kühlmittel gespeichert werden kann.
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Eine elektrisch angetriebene Ladepumpe dient der Förderung von Kühlmittel aus dem Kühlmittelspeicher in den Druckbehälter, wenn elektrische Energie gespeichert werden soll, mit welcher die Ladepumpe angetrieben wird. Eine Entladeturbine ist an den Druckbehälter angeschlossen und generiert elektrische Energie, wenn durch sie Kühlmittel aus dem Druckbehälter zurück zum Kühlmittelspeicher strömt. Weiterhin umfasst die Energiespeicheranordnung eine Steuereinheit sowie vorzugsweise mehrere von dieser angesteuerte Steuerventile und/oder Umrichter, um so den Durchfluss an der Ladepumpe und der Entladeturbine zu regeln.
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Für die Erfindung ist es darüber hinaus wesentlich, dass im Druckbehälter ein Sprühelement angeordnet ist, welches sich insbesondere oberhalb eines Maximalfüllstandes befindet und an die Ladepumpe angeschlossen ist, um das von dieser in den Druckbehälter geförderte Kühlmittel tröpfchen- oder nebelartig im Druckbehälter zu versprühen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besitzt der Druckbehälter der Energiespeicheranordnung keine Wärmeisolation zur Umgebung. Dies vereinfacht den Aufbau und reduziert die Kosten. Der zusätzliche Energieeintrag bei hohen Außentemperaturen gleicht den Wärmeverlust bei niedrigen Außentemperaturen langfristig weitgehend aus. Auch am Kühlmittelspeicher kann bevorzugt auf eine Wärmeisolation verzichtet werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Entladeturbine an den Kühlmittelspeicher angeschlossen, um das Kühlmittel dorthin zurück zu führen, sodass ein geschlossener Kühlmittelkreislauf besteht.
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Weitere Vorteile, Einzelheiten und Abwandlungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
- 1 ein stark vereinfachtes Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung;
- 2 ein T-s-Diagramm für eine Speicherphase und eine Rückgewinnungsphase;
- 3 eine Prinzipdarstellung der Energiespeicheranordnung in Verbindung mit einer Windenergieanlage.
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1 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Energiespeicheranordnung, wobei lediglich die wichtigsten Bestandteile abgebildet sind, um das Wirkprinzip zu verdeutlichen. Die Anordnung umfasst einen Druckbehälter 01 mit einem abgeschlossenen Volumen, welches an die zu speichernde Energiemenge angepasst ist und beispielsweise im Bereich 10.000 bis 100.0000 m3 liegen kann. Die Größe des Druckbehälters ist letztlich abhängig von den Rahmenbedingungen der Energieerzeugung und gewünschten Speicherung. Im Druckspeicher 01 ist als Energiespeichermedium ein unter Betriebsdruck stehendes Gas 02 enthalten, insbesondere Kohlendioxid oder Ethan. Der Betriebsdruck liegt beispielsweise im Bereich 20 bis 70 bar. Im Druckbehälter 01 ist oberhalb eines vorbestimmten Maximalfüllstands, möglichst an der oberen Wandung des Druckbehälters, ein Sprühelement 03 angeordnet, aus welchem ein Kühlmittel 04 unter Druck versprüht werden kann. Das Kühlmittel 04 ist bevorzugt Wasser, welches von einer Ladepumpe 06 zum Sprühelement 03 gefördert wird.
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In einer Speicherphase wird die elektrisch angetriebene Ladepumpe 06 aktiviert, wenn elektrische Energie gespeichert werden soll. Sie fördert dann Kühlmittel 04 in den Druckbehälter 01, wo das Kühlmittel möglichst fein versprüht bzw. vernebelt wird. Durch das Einbringen des Kühlmittels 04 in den Druckbehälter reduziert sich dort das für das Gas 02 zur Verfügung stehende Volumen, sodass der Druck ansteigt und sich die mechanische Energie im System erhöht. Gleichzeitig wird Wärme aus dem komprimierten Gas abgeführt, da diese vom Kühlmittel aufgenommen wird. Somit ist es möglich, eine isotherme Kompression des Gases im Druckbehälter durchzuführen. Das Kühlmittel 04 soll beim Eintritt in den Druckbehälter eine Temperatur besitzen, die nicht höher als die im Druckbehälter aktuell herrschende Temperatur ist. Das Kühlmittel 04 sammelt sich im unteren Bereich des Druckbehälters 01 und bedeckt dort einen Auslass.
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Mit anderen Worten lässt sich also festhalten, dass es bei der Zufuhr von Kühlmittel zum Druckbehälter zunächst zu einem Druck- und Temperaturanstieg kommt, bis die Temperaturdifferenz des eingepumpten Wassers (Kühlmittels) groß genug ist, damit das Wasser so viel Wärme aufnehmen kann, dass genauso viel Wasservolumen zugeführt wird, wie Dampfvolumen auskondensiert. Thermodynamisch kann der Vorgang somit als angenähert isotherm und angenähert isobar bezeichnet werden, wenngleich eine ideale isotherme und isobare Zustandsänderung nicht vorliegt. Wird in einer abgewandelten Ausführungsform Luft als Speichermedium eingesetzt, ergibt sich eine angenähert isotherme Zustandsänderung, wobei der Druck ansteigt.
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Bei der Verwendung von Dampf (beispielsweise CO2 oder Ethan) als Speichermedium wird dieser im Nassdampfbereich gehalten. Wenn Kohlendioxid als Gas und Wasser als Kühlmittel verwendet wird, so beträgt der Betriebsdruck im Druckbehälter etwa 45 bar, was dem Dampfdruck bei einer Temperatur des zugeführten Wassers von etwa 10°C entspricht. Die Kompression findet in diesem Fall als angenähert isobare und isotherme Zustandsänderung statt, d. h. Druck und Temperatur bleiben angenähert konstant. Durch das von der Ladepumpe 06 in den Druckbehälter gepumpte Kühlmedium 04 nimmt das für das Gas verbleibende Volumen ab, sodass der Druck steigt und eine Temperaturerhöhung im Gas folgt. Die Kompressionswärme wird an die Wassertröpfchen abgegeben. Da sich im Druckbehälter CO2-Nassdampf befindet, kondensiert das CO2 an den Wassertropfen aus, was den Wärmeübergang begünstigt und gleichzeitig den Raumbedarf für das kondensierte Speichermedium reduziert, sodass es im Ergebnis nur zu einem geringen Druckanstieg im Druckbehälter 01 kommt.
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Das Kühlmittel 04 wird bei der dargestellten Ausführungsform in einem Kühlmittelspeicher 07 gespeichert und von dort über ein Leitungssystem 08 an die Ladepumpe 06 bereitgestellt. Der Kühlmittelspeicher kann künstlich angelegt oder aber ein natürliches Gewässer sein. Die typischen Temperaturen von durchschnittlich 10°C in natürlichen Gewässern sind für den Betrieb der Energiespeicheranordnung geeignet.
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Der Druckbehälter 01 wird als adiabat angesehen. In den Sommermonaten kommt ein zusätzlicher Wärmeeintrag aus der Umgebung der gezielt gespeicherten Energie zugute und gleicht damit Verluste in den Wintermonaten aus.
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Die Energiespeicheranordnung umfasst weiterhin eine Entladeturbine 09 die in einer Rückgewinnungsphase vom Kühlmittel 04 gespeist wird, elektrische Energie abgibt und beispielsweise in ein Energienetz einspeist. Das Kühlmittel wird dann bevorzugt zum Kühlmittelspeicher 07 zurück geführt, sodass es für eine spätere Speicherphase erneut zur Verfügung steht.
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Schließlich besitzt die Energiespeicheranordnung eine Steuereinheit (nicht dargestellt) um die verschiedenen Abläufe während der Speicherphase und Rückgewinnungsphase zu steuern. Vorzugsweise erfolgt dies über die Ansteuerung der Ladepumpe 06 und der Entladepumpe 09 sowie ggf. zusätzlicher Steuerventile 11, 12.
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2 zeigt im T-s-Diagramm beispielhaft den Temperaturverlauf T über der spezifischen Entropie s des Speichermediums CO2 in der Speicherphase (Beladen) und in der Rückgewinnungsphase (Entladen des als Energiespeicher dienenden Druckbehälters).
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Eine obere Kurve 20 verdeutlicht das Beladen, d. h. Wasser wird in den Druckbehälter 01 gefördert, und zeigt anfänglich einen starken Temperaturanstieg, der dann immer weiter abflacht, bis ein Abschnitt einer nahezu isothermen Zustandsänderung erreicht wird. Die gesamte Temperaturänderung bleibt mit etwas 8,5 K vergleichsweise gering. Eine Temperaturdifferenz zwischen CO2 und Wasser ist notwendig, um den Wärmeübergang zu ermöglichen. Die Temperatur im CO2 steigt so lange an, bis sich ein Gleichgewicht zwischen der aus der Kompression resultierenden Wärmeabgabe aus dem Gas und der Wärmeaufnahme des eingepumpten und versprühten Wassers einstellt.
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Die untere Kurve 21 verdeutlicht das umgekehrte Verhalten beim Entladen, d. h. in der Rückgewinnungsphase. Um beim Entladen einen möglichst geringen Temperaturabfall im CO2-Dampf entstehen zu lassen, wird, sobald die Temperatur des Dampfes unter die des im Druckbehälter 01 befindlichen Wassers 04 gefallen ist, das Wasser vor dem Entladen durch die siedende CO2-Phase geführt, sodass das Gas 02 wieder aufgeheizt wird. Dies wirkt der bei der Dekompression auftretenden Abkühlung des Gases entgegen, sodass die Temperatur letztlich weitgehend konstant gehalten wird. Beispielsweise kann dazu flüssiges CO2 in Form einer Wärmepumpe eingesetzt werden. Dazu wird das flüssige CO2 mit Wasser vermischt und der Druck dieser Mischung abgesenkt, beispielsweise indem die Mischung durch eine senkrechte Rohrleitung nach oben gefördert wird. Mit sinkendem Druck beginnt das CO2 bei niedrigen Temperaturen an zu verdampfen. Auf diese Weise kann das Wasser, bevor es den Druckbehälter verlässt, unterhalb der CO2-Temperatur abgekühlt werden. Das verdampfte CO2 muss dann über ein Gebläse wieder in den Druckbehälter gefördert werden, wobei die zu überwindenden Druckunterschiede klein ausfallen.
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3 zeigt eine Prinzipskizze einer Kombination der Energiespeicheranordnung mit einer Windkraftanlage zur Erzeugung und Zwischenspeicherung elektrischer Energie. Die Windkraftanlage umfasst mehrere Windkrafträder 30. In den Fundamenten 31 der Windkrafträder 30 können die Druckbehälter 01 und die Kühlmittelspeicher 07 untergebracht sein. In einem zentralen Krafthaus 32 kann eine gemeinsam genutzte Pumpenanlage untergebracht werden. Beispielhaft kann die Energiespeicheranordnung so dimensioniert sein, dass sie eine spezifische elektrische Arbeit von etwa 1 kWh/m3 speichern kann, wenn überschüssige elektrische Energie von den Windkrafträdern erzeugt wird.
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Da Ober- und Unterbecken nicht erforderlich sind, kann die erfindungsgemäße Energiespeicheranordnung an beliebigen Standorten zum Einsatz kommen, ohne spezielle Anforderungen an die Orographie des Geländes. Der Speicherwirkungsgrad wird je nach verwendetem Speichermedium im Bereich zwischen 70 und 80 Prozent erwartet.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- Druckspeicher
- 02
- Speichermedium / Gas
- 03
- Sprühelement
- 04
- Kühlmittel / Wasser
- 05
- --
- 06
- Ladepumpe
- 07
- Kühlmittelspeicher
- 08
- Leitungssystem
- 09
- Entladeturbine
- 10
- --
- 11
- Steuerventil
- 12
- Steuerventil
- 20
- Beladungskurve
- 21
- Entladungskurve
- 30
- Windkraftrad
- 31
- Fundament
- 32
- Krafthaus
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014008120 A1 [0003]
- EP 2494169 B1 [0004]
- DE 102015005345 A1 [0005]