DE102021102231A1

DE102021102231A1 - Elektrisches Energiespeichersystem und Verfahren zur Ein- und Ausspeicherung elektrischer Energie sowie Computerprogramm

Info

Publication number: DE102021102231A1
Application number: DE102021102231.2A
Authority: DE
Inventors: Alexander Börgel; Niko Dalke; Eugen Zukin
Original assignee: Hypnetic GmbH
Current assignee: Hypnetic GmbH
Priority date: 2021-02-01
Filing date: 2021-02-01
Publication date: 2022-08-04
Also published as: EP4285455A2; CA3206903A1; WO2022162065A2; US20240094689A1; AU2022212502A1; WO2022162065A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Energiespeichersystem zur Ein- und Ausspeicherung elektrischer Energie mit wenigstens den folgenden Komponenten:a) eine elektrische Anschlusseinheit zum Anschluss des Energiespeichersystems an ein elektrisches Energieversorgungsnetz,b) ein erster Energiewandler, der mit der elektrischen Anschlusseinheit elektrisch verbunden ist und zur Umwandlung von über das Energieversorgungsnetz zugeführter elektrischer Energie in hydraulische Energie eingerichtet ist, die über ein im Energiespeichersystem befindliches Hydraulikmedium bereitgestellt wird,c) ein zweiter Energiewandler, der mit dem ersten Energiewandler hydraulisch verbunden ist und zur Umwandlung der vom ersten Energiewandler bereitgestellten hydraulischen Energie in Gasdruck-Energie eingerichtet ist, die über ein im Energiespeichersystem befindliches Druckgas bereitgestellt wird,d) eine Druckgas-Speichereinheit, die über eine Druckgas-Verbindung mit dem zweiten Energiewandler verbunden ist und zur Speicherung der vom zweiten Energiewandler bereitgestellten Gasdruck-Energie in Form komprimierten Druckgases eingerichtet ist.Ein solches Energiespeichersystem kann auch als hydropneumatisches Energiespeichersystem bezeichnet werden. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Ein- und Ausspeicherung elektrischer Energie mittels eines Energiespeichersystems der zuvor genannten Art und ein Computerprogramm zur Ausführung des Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Energiespeichersystem zur Ein- und Ausspeicherung elektrischer Energie mit wenigstens den folgenden Komponenten:

a) eine elektrische Anschlusseinheit zum Anschluss des Energiespeichersystems an ein elektrisches Energieversorgungsnetz,
b) ein erster Energiewandler, der mit der elektrischen Anschlusseinheit elektrisch verbunden ist und zur Umwandlung von über das Energieversorgungsnetz zugeführter elektrischer Energie in hydraulische Energie eingerichtet ist, die über ein im Energiespeichersystem befindliches Hydraulikmedium bereitgestellt wird,
c) ein zweiter Energiewandler, der mit dem ersten Energiewandler hydraulisch verbunden ist und zur Umwandlung der vom ersten Energiewandler bereitgestellten hydraulischen Energie in Gasdruck-Energie eingerichtet ist, die über ein im Energiespeichersystem befindliches Druckgas bereitgestellt wird,
d) eine Druckgas-Speichereinheit, die über eine Druckgas-Verbindung mit dem zweiten Energiewandler verbunden ist und zur Speicherung der vom zweiten Energiewandler bereitgestellten Gasdruck-Energie in Form komprimierten Druckgases eingerichtet ist.

Ein solches Energiespeichersystem kann auch als hydropneumatisches Energiespeichersystem bezeichnet werden. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Ein- und Ausspeicherung elektrischer Energie mittels eines Energiespeichersystems der zuvor genannten Art und ein Computerprogramm zur Ausführung des Verfahrens.
Für die Klimaschutzziele spielt die Energiewende eine zentrale Rolle. Die energiewirtschaftlichen Probleme bestehen in der Unvorhersagbarkeit des Energieangebotes der Solar- und Windkraft und den Spitzenlasten sowie der ungenutzten Abwärme der Industrie. Ersteres führt zu Planungsunsicherheiten, Netzschwankungen und zu monetären sowie energetischen Verlusten in der Energiebeschaffung eines Unternehmens. Spitzenlasten verursachen hohe Kosten und belasten ebenfalls örtliche Stromnetze. Die ca. 226 Terrawattstunden Industrie-Wärme und die ca. 5,5 TWh Windenergie, die jedes Jahr in Deutschland ungenutzt bleiben, sind ein erheblicher Faktor für Ineffizienz und gleichzeitig für Einsparpotentiale. Insgesamt führt der Ausbau der Solar- und Windkraft bei gleichzeitigem Rückbau der grundlastfähigen Atom- und Kohlekraftwerke zu einem wachsenden Energieausgleichsbedarf für die Netzstabilität.
Energiespeicher können Energieausgleichsbedarfe prinzipiell bewerkstelligen. Den Großteil der Energiespeicherung übernehmen heutzutage Pumpspeicherkraftwerke und Batterien. Der Ausbau der Pumpspeicherkraftwerke ist in Deutschland seit 2015 stagnierend. Unter den Batterien ist mit großem und größer werdendem Abstand die Lithium-Batterie führend. Ihr großer Nachteil, der mit zunehmender Verwendung ein größer werdendes Problem darstellt, ist die für die großskalige Einspeicherung enorme Verwendung kritischer Ressourcen. Aufgrund ihrer vergleichsweise geringen Robustheit (Zyklenstabilität), ihrer Kapazitäts- und Leistungsdegradation und der Sensitivität gegenüber Tiefenentladungen ist ihrer Lebensdauer auf fünf, maximal 15 Jahre begrenzt.
Konventionelle Druckluftenergiespeicher, auch CAES-Kraftwerke genannt, erreichen einen niedrigen Wirkungsgrad und können nicht dezentral eingesetzt werden, weil sie auf Untergrund-Kavernen angewiesen sind. Gemeinsam haben diese konventionellen CAES-Kraftwerke, dass im Einspeichervorgang der Stickstoff bzw. die Druckluft direkt durch Gaskompressoren verdichtet wird, bevor sie im Ausspeichervorgang über Gasturbinen unter Leistungsabgabe entspannt wird. Durch die entstehende Kompressionswärme im Gaskompressor resultiert ein relativ geringer Wirkungsgrad und Kühlsysteme werden erforderlich. Je höher der Gasdruck (und entsprechend die Energiedichte) werden soll, desto mehr Verdichterstufen werden benötigt, desto geringer ist der Wirkungsgrad und desto größer muss der Kühlkreislauf ausgelegt werden.
In der Machbarkeitsstudie über dezentrale Hydraulik-Druckgas-Speicher, Autorinnen: Hermann Edtmayer, Mario Habring, Markus Rabensteiner, Thomas Nacht, Manfred Tragner, 4ward Energy Research GmbH, erstellt am 27/02/2017, werden weitere Ansätze für Druckluftenergiespeicher beschrieben, die mit geringerem Aufwand realisierbar sind als CAES-Kraftwerke.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, noch effizientere Möglichkeiten der Speicherung elektrischer Energie mittels Druckgas anzugeben.
Diese Aufgabe wird bei einem elektrischen Energiespeichersystem der eingangs genannten Art durch eines, mehrere oder alle der folgenden Merkmale e), f), g), h) gelöst:

e) wenigstens ein Teil des zweiten Energiewandlers und/oder der Druckgas-Speichereinheit weist ein Phasenwechselspeichermedium auf, in dem beim Komprimieren des Druckgases entstehende Kompressionswärme speicherbar ist,
f) der zweite Energiewandler weist wenigstens einen Kolbenraum auf, in dem ein Trennkolben beweglich gelagert ist, wobei durch den Trennkolben das Druckgas vom Hydraulikmedium getrennt ist, wobei der Trennkolben ein Basismaterial und ein Wärmeisolationsmaterial aufweist, das eine geringere Wärmeleitfähigkeit hat als das Basismaterial, wobei durch das Wärmeisolationsmaterial eine Wärmeisolationsschicht zwischen dem Druckgas und dem Hydraulikmedium gebildet ist,
g) der zweite Energiewandler weist wenigstens einen Hydraulikzylinder und einen vom Hydraulikzylinder separaten, mit dem Hydraulikzylinder mechanisch gekoppelten Pneumatikzylinder auf, der vom Hydraulikzylinder thermisch entkoppelt ist,
h) die Druckgas-Speichereinheit weist einen Wärmetauscher auf, durch den dem Wärmetauscher extern zugeführte Abwärme dem komprimierten Druckgas zuführbar ist.

Das Energiespeichersystem weist somit zunächst die Merkmale a), b), c) und d) auf. Die elektrische Anschlusseinheit kann beispielsweise Komponenten zur Spannungswandlung, Stromwandlung und/oder Frequenzwandlung der vom Energieversorgungsnetz bereitgestellten elektrischen Energie haben. Beispielsweise kann die Anschlusseinheit einen Transformator und einen dem Transformator nachgeschalteten Frequenzumrichter haben.
Das elektrische Energieversorgungsnetz kann ein öffentliches Fernversorgungsnetz sein, oder ein privates Energieversorgungsnetz, z.B. ein internes Energieversorgungsnetz in einem Industriebetrieb, oder ein lokales Energieversorgungsnetz einer Energieerzeugungsanlage, z.B. eines Windparks oder eines Solarenergie-Parks. Für die Ausspeicherung elektrischer Energie aus dem Energiespeichersystem kann dasselbe elektrische Energieversorgungsnetzt genutzt werden, das für die Einspeicherung verwendet wird, oder ein anderes Energieversorgungsnetz oder sonstiger elektrischer Verbraucher.
Der erste Energiewandler kann z.B. derart realisiert sein, dass er hinsichtlich der elektrischen Seite eine elektrische Maschine hat, durch die mittels der elektrischen Energie eine hydraulische Fördereinrichtung, mit der das Hydraulikmedium gefördert werden kann, angetrieben wird. Die elektrische Maschine kann z.B. als Elektromotor ausgebildet sein, z.B. als Synchronmaschine oder Reluktanzmotor. Die hydraulische Fördereinrichtung kann beispielsweise als Hydraulikpumpe ausgebildet sein. Vorteilhaft ist z.B. die Ausbildung der hydraulischen Fördereinheit als Axialkolbenmaschine, was zu einem hohen Wirkungsgrad der Umwandlung der mechanischen Energie in hydraulische Energie führt. Zudem erlaubt eine Axialkolbenmaschine auch die umgekehrte Umwandlung mit hohem Wirkungsgrad, d.h. die Umwandlung der hydraulischen Energie in mechanische Energie. Der erste Energiewandler kann auch mehrere parallel wirkende elektrische Maschinen und/oder mehrere parallel wirkende hydraulische Fördereinrichtungen haben.
Der zweite Energiewandler kann z.B. als Zylinder mit darin beweglichem Kolben oder Anordnung mehrerer Zylinder mit jeweiligen beweglichen Kolben ausgebildet sein. Der zweite Energiewandler kann auch mehrere solcher Anordnungen haben, auch gemischt, die parallel geschaltet sind.
Die Druckgas-Speichereinheit kann durch einen oder mehrere parallel geschaltete gasdichte Behälter gebildet sein.
Die Ausspeicherung elektrischer Energie aus dem Energiespeichersystem erfolgt durch Rückumwandeln der in der Druckgas-Speichereinheit gespeicherten Gasdruck-Energie durch einen Dekompressionsvorgang in elektrische Energie. Die Ausspeicherung kann ähnlich wie die Einspeicherung zweistufig erfolgen, d.h. über das zwischengeschaltete Hydraulikmedium, oder alternativ auch direkt durch einen Energiewandler, der zur Umwandlung von Gasdruck-Energie in elektrische Energie ausgebildet ist. Ein solcher Energiewandler kann z.B. als Gasturbine ausgebildet sein, durch die ein elektrischer Generator angetrieben wird.
Erfolgt die Ausspeicherung analog zur Einspeicherung, d.h. unter Nutzung zwischengeschalteten Hydraulikmediums, so kann hierfür der zweite Energiewandler genutzt werden, wenn er bidirektional betreibbar ist. Ebenso kann der erste Energiewandler hierbei genutzt werden, wenn er bidirektional betreibbar ist. Alternativ kann ein weiterer zweiter Energiewandler für die Umwandlung der Gasdruck-Energie in hydraulische Energie bei der Ausspeicherung genutzt werden. Als Alternative zum ersten Energiewandler kann ein weiterer erster Energiewandler für die Umwandlung der hydraulischen Energie in elektrische Energie beim Ausspeichern genutzt werden. Beispielsweise kann für die Ausspeicherung eine Pelton-Turbine mit einem verbundenen elektrischen Generator genutzt werden.
Das Energiespeichersystem kann als offenes oder geschlossenes System ausgebildet sein. Ein geschlossenes System ist dadurch gekennzeichnet, dass keine Verbindung des Druckgas-Kreises mit der umgebenden Atmosphäre vorhanden ist. In diesem Fall ist es vorteilhaft, ein anderes Druckgas als Luft einzusetzen, z.B. Stickstoff. Selbstverständlich ist es auch möglich, ein geschlossenes System mit Luft als Druckgas zu betreiben. Bei einem offenen System ist eine über wenigstens ein Ventil schließbare Verbindung des Druckgas-Kreises mit der umgebenden Atmosphäre vorhanden. Durch diese Verbindung kann je nach Bedarf Luft aus der Atmosphäre in das Energiespeichersystem aufgenommen werden oder wieder in die Atmosphäre abgegeben werden.
Vorteilhafterweise kann gemäß Merkmal e) wenigstens ein Teil des zweiten Energiewandlers und/oder der Druckgas-Speichereinheit ein Phasenwechselspeichermedium aufweisen, in dem Kompressionswärme speicherbar ist. Ein solches Phasenwechselspeichermedium kann große Mengen von Wärme speichern und bei Bedarf wieder abgeben. Die hierfür erforderlichen Materialien können einfach und kostengünstig bereitgestellt werden, wobei z.B. Paraffin, Wasser oder Metalle als Phasenwechselspeichermedium eingesetzt werden können. Durch die Nutzung eines solchen Phasenwechselspeichermediums kann das Energiespeichersystem sehr effizient und ohne die bei bekannten Druckgas-Kraftwerken auftretenden Temperaturprobleme betrieben werden. Dabei kann auf ein zusätzliches Kühlmedium, wie z.B. einen Kühlwasserkreislauf oder einen sonstigen Wärmetauscher, im Bereich des zweiten Energiewandlers und/oder der Druckgas-Speichereinheit verzichtet werden. Hierdurch kann das Energiespeichersystem besonders einfach aufgebaut sein.
Das Phasenwechselspeichermedium, auch PCM (phase change material) genannt, hat die Eigenschaft, dass die Kompressionswärme zunächst eine Temperaturerhöhung des PCM bewirkt, bis zu dem Schmelzpunkt des PCM. Darüber hinaus anfallende Kompressionswärme führt zu einer Verflüssigung des PCM und nicht mehr direkt zu einer Temperaturerhöhung der Komponenten (real flacht der Temperaturanstieg abhängig von der Wärmeaustauschdynamik (Wärmeübergangsfläche) ab). Dieser Vorgang ist reversibel. Die im PCM gespeicherte Wärme kann wieder abgegeben werden, wobei das PCM unterhalb des Schmelzpunkts wieder erstarrt.
Durch die Wärmeisolationsschicht, wie im Merkmal f) angegeben, kann der Kolbenraum bewegliche Trennkolben wesentlich besser wärmeisoliert gestaltet werden, sodass der unerwünschte Wärmeübergang zwischen dem Druckgas und dem Hydraulikmedium im Vergleich zu einer Gestaltung des Trennkolbens ohne Wärmeisolationsschicht deutlich vermindert werden kann. Der Trennkolben kann z.B. aus einem Basismaterial wie Stahl hergestellt sein, was naturgemäß eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit hat. Durch die Wärmeisolationsschicht, die z.B. als Kunststoffschicht auf einer oder beiden Oberflächenseiten des Trennkolbens angeordnet sein kann, kann dieser unerwünschte Wärmeübergang deutlich vermindert werden.
Durch die Gestaltung des zweiten Energiewandlers mit voneinander separierten Hydraulik- und Pneumatik-Zylindern, wie im Merkmal g) angegeben, kann ebenfalls eine gute thermische Entkopplung zwischen dem Druckgas und dem Hydraulikmedium geschaffen werden. Außerdem wird durch diese Kombination sichergestellt, dass der in der Außenluft vorhandene und durch die Kompression äußerst reaktionsfreudige Sauerstoff in keinem Fall mit dem Hydraulikmedium, z.B. Öl, in Kontakt geraten kann. Dieser ist ein wichtiger Sicherheits-Aspekt. Öl kann mit Sauerstoff und Hochdruck und Wärme explosionsartig reagieren. Würden bei diesem Konzept normale Kolbenspeicher zum Einsatz kommen, könnten Öl-Leckagen der Kolbendichtung in Verbindung mit dem Luftsauerstoff gefährlich werden. Außer diesem Sicherheitsaspekt altert das Öl auch unter der Anwesenheit von Sauerstoff schneller, was eine höhere Wartungsintensität und/oder eine kürzere Lebensdauer zufolge hat.
Zudem werden unerwünschte Verunreinigungseffekte des Druckgases durch gegebenenfalls hindurchtretende Spuren von Hydraulikmedium minimiert. Der Hydraulik-Zylinder und der Pneumatik-Zylinder können beispielsweise jeweils eine Kolbenstange haben, über die sie mechanisch miteinander gekoppelt sind. Die mechanische Kopplung der Kolbenstangen kann über ein Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit oder eine Anordnung mit geringer Wärmeleitfähigkeit erfolgen.
Durch den im Merkmal h) genannten Wärmetauscher der Druckgas-Speichereinheit kann dem Druckgas weitere Energie zugeführt werden, wobei vorteilhafterweise Energie genutzt werden kann, die sozusagen als Abfallprodukt beispielsweise bei industriellen Herstellungsprozessen entsteht (sogenannte Abwärme). Zusätzlich können auch andere Energiequellen, die Wärme bereitstellen, genutzt werden, z.B. Sonnenkollektoren, die mit dem Wärmetauscher ebenfalls verbunden werden. Hierdurch kann die Effizienz des Energiespeichersystems weiter gesteigert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest ein Teil des Phasenwechselspeichermediums an einer Außenseite wenigstens eines Teils des zweiten Energiewandlers und/oder der Druckgas-Speichereinheit angeordnet ist, an der Kühlrippen angeordnet sind. Hierdurch kann der Wärmeübergang vom mit der Kompressionswärme beaufschlagten Druckgas in das Phasenwechselspeichermedium optimiert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kühlrippen mit einer Kunststoffschicht, z.B. einer Kunststofffolie, abgedeckt sind und das Phasenwechselspeichermedium in den zwischen der Kunststoffschicht, den Kühlrippen und der Außenseite wenigstens eines Teils des zweiten Energiewandlers und/oder der Druckgas-Speichereinheit verbleibenden Hohlräumen angeordnet ist. Dies erlaubt eine einfache und kostengünstige Herstellung der entsprechenden Teile des zweiten Energiewandlers und/oder der Druckgas-Speichereinheit. Beispielsweise können für die Herstellung der Druckgas-Speichereinheit konventionelle, im Handel erhältliche Speicherbehälter verwendet werden, die an der Außenseite mit Kühlrippen bestückt werden. Die mit Kühlrippen bestückten Speicherbehälter können dann mit einer Kunststoffschicht umgeben werden, z.B. indem sie in einem Beutel aus Kunststofffolie angeordnet werden. Daraufhin wird das Phasenwechselspeichermedium in flüssiger Form in den Zwischenraum zwischen der Kunststoffschicht, den Kühlrippen und der Außenseite eingefüllt wird. Anschließend kann die auf diese Weise gebildete Anordnung noch mit einem Wärmeisolationsmaterial an der Außenseite umgeben werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Phasenwechselspeichermedium gespeicherte Kompressionswärme dem Druckgas bei der Ausspeicherung aus der Druckgas-Speichereinheit wieder zuführbar ist. Dies hat den Vorteil, dass ein reversibler Prozess bereitgestellt wird, bei dem die gespeicherte Kompressionswärme wieder genutzt werden kann, um den beim Dekomprimieren des Druckgases auftretenden Temperaturabfall zu kompensieren.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiespeichersystem ohne Wärmetauscher im Bereich des zweiten Energiewandlers ausgebildet ist. Dies erlaubt einen einfachen und kostengünstigen Aufbau des Energiespeichersystems. Auf einen solchen Wärmetauscher kann verzichtet werden, weil durch das Phasenwechselspeichermedium ausreichend Speicherkapazität für die Kompressionswärme zur Verfügung gestellt werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Energiewandler als bidirektionaler Energiewandler ausgebildet ist, durch den wahlweise zugeführte elektrische Energie in hydraulische Energie unwandelbar oder hydraulische Energie in aus dem Energiespeichersystem auszuspeichernde elektrische Energie unwandelbar ist. Dies hat den Vorteil, dass kein weiterer erster Energiewandler für den Ausspeichervorgang erforderlich ist. Auf diese Weise kann das Energiespeichersystem relativ kompakt und kostengünstig realisiert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Energiewandler als bidirektionaler Energiewandler ausgebildet ist, durch den wahlweise zugeführte hydraulische Energie in Gasdruck-Energie unwandelbar oder aus der Druckgas-Speichereinheit auszuspeichernde Gasdruck-Energie in hydraulische Energie unwandelbar ist. Dies hat den Vorteil, dass kein weiterer zweiter Energiewandler für den Ausspeichervorgang erforderlich ist. Auf diese Weise kann das Energiespeichersystem relativ kompakt und kostengünstig realisiert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Energiewandler mit einem Hydraulik-System verbunden ist, das einen Tank hat, in dem ein Vorrat an Hydraulikmedium gespeichert ist. Durch einen solchen Tank steht immer eine ausreichende Menge an Hydraulikmedium zur Verfügung, wenn elektrische Energie eingespeichert oder ausgespeichert werden soll. Durch den Tank können z.B. die volumetrischen Verluste des Hydromotors sowie sämtliche andere Leckageströme kompensiert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Tank über eine Hydraulikpumpe und einen Filter hydraulisch mit dem zweiten Energiewandler gekoppelt ist. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass dem zweiten Energiewandler immer sauberes Hydraulikmedium zugeführt wird. Auf diese Weise kann eine hohe Lebensdauer des Energiespeichersystems erreicht werden.
Setzt man z.B. einen Tank mit PCM an der Außenwand, eine Vorpumpe und ein Filtersystem ein, weist das System insgesamt keine Ölverluste auf und das Öl wird automatisch im Betrieb gereinigt. Das hat geringere Wartungsintensität und/oder eine erhöhte Lebensdauer der Komponenten zufolge.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass um den Tank herum ein Phasenwechselspeichermedium angeordnet ist. Auf diese Weise können unnötige Wirkungsgradverluste vermieden werden. Zudem kann das Energiespeichersystem auch im Bereich des Tanks besonders einfach und kostengünstig gestaltet werden. Insbesondere sind im Bereich des Tanks keine sonstigen Komponenten für die Kühlung des Hydraulikmediums erforderlich, wie z.B. ein Ventilator oder ähnliches. Durch das Phasenwechselspeichermedium kann das Hydraulikmedium stets auf einer optimalen Arbeitstemperatur gehalten werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Energiewandler als Einhub-System ausgebildet ist, bei dem die maximale Einspeicherkapazität durch das verfügbare Aufnahmevolumen des zweiten Energiewandlers für das Hydraulikmedium begrenzt ist. Auf diese Weise kann ein besonders einfacher und kostengünstiger Aufbau des Energiespeichersystems erreicht werden, wobei sich das Energiespeichersystem insbesondere für die Realisierung eines Leistungskonzepts eignet, d.h. es kann sowohl mit hoher Leistung Energie eingespeichert als auch mit hoher Leistung Energie ausgespeichert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der zweite Energiewandler als zyklisch betriebenes Wechselhub-System ausgebildet ist, bei dem zumindest bei der Einspeicherung elektrischer Energie in das Energiespeichersystem das Hydraulikmedium zyklisch zwischen einem ersten und einem zweiten Kolbenspeicher des zweiten Energiewandlers hin- und her gefördert wird. Dies hat den Vorteil, dass sehr große Energiemengen gespeichert werden können. Zudem ist weniger Hydraulik- und Pneumatikzylinder-Volumen, weniger Hydraulikmedium und weniger Tank-Volumen notwendig. Ein solches Energiespeichersystem eignet sich besonders zur Realisierung eines Energiespeichersystems mit hoher Kapazität.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere oder alle Komponenten des Energiespeichersystems in einem Gehäuse untergebracht sind, das einem Frachtcontainer gemäß ISO 668 entspricht, insbesondere einem 20-Fuß- oder 40-Fuß-Frachtcontainer. Dies hat den Vorteil, dass das Energiespeichersystem in einer für den Anwender gut handhabbaren Weise bereitgestellt wird. So ist insbesondere der Transport des Energiespeichersystems zum Einsatzort oder zu wechselnden Einsatzorten besonders einfach möglich, weil verfügbare Transportkapazitäten von konventionellen Nutzfahrzeugen benutzt werden können. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass als Gehäuse direkt ein im Handel erhältlicher Frachtcontainer genutzt werden kann, sodass kostengünstige und robuste Gehäuse für die Realisierung des Energiespeichersystems zur Verfügung stehen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der erste Energiewandler einen Hydromotor mit verstellbarem Hubraum auf. Dies hat den Vorteil, dass beim ersten Energiewandler eine besonders vorteilhafte Drehzahlregelung des Hydromotors realisiert werden kann, z.B. durch Hubraum-Verstellung.
Ein vorteilhaftes Verfahren zur Ein- und Ausspeicherung elektrischer Energie mittels eines Energiespeichersystems der zuvor genannten Art, z.B. eines Energiespeichersystems mit den Merkmalen a), b), c) und d), umfasst die folgenden Verfahrensschritte:

i) Einspeicherung elektrischer Energie in das Energiespeichersystem durch Umwandeln der elektrischen Energie über den ersten Energiewandler in hydraulische Energie und der hydraulischen Energie über den zweiten Energiewandler in Gasdruck-Energie und Speichern der Gasdruck-Energie in Form komprimierten Druckgases in der Druckgas-Speichereinheit,
j) Ausspeicherung elektrischer Energie aus dem Energiespeichersystem durch Dekomprimieren von in der Druckgas-Speichereinheit gespeichertem komprimierten Druckgas und Erzeugen hydraulischer Energie daraus über den zweiten Energiewandler oder einen weiteren zweiten Energiewandler, und Umwandeln der hydraulischen Energie über den ersten Energiewandler oder einen weiteren ersten Energiewandler in elektrische Energie und abgeben der elektrischen Energie an das elektrische Energieversorgungsnetz oder einen sonstigen elektrischen Verbraucher

Auch hierdurch können die zuvor erläuterten Vorteile realisiert werden.
Das Verfahren kann einen, mehrere oder alle der folgenden Verfahrensschritte k), I), m) haben:

k) dem Energiespeichersystem wird als weiterer Energieträger Wärmeenergie in Form industrieller Abwärme und/oder Wärme aus Sonnenkollektoren zugeführt, wobei im Energiespeichersystem durch die Wärmeenergie das in der Druckgas-Speichereinheit befindliche Druckgas erwärmt wird,
l) der Druckgas-Kreis des zweiten Energiewandlers ist über wenigstens ein Ventil mit der umgebenden Atmosphäre verbindbar, wobei bei der Ausspeicherung elektrischer Energie aus dem Energiespeichersystem das Ventil zyklisch geöffnet und geschlossen wird, wobei das Ventil in einem jeweiligen Zyklus geschlossen wird, bevor in ein bestimmter Druckwert des Gasdrucks im Druckgas-Kreis des zweiten Energiewandlers erreicht ist, der oberhalb des Atmosphärendrucks liegt,
m) der erste Energiewandler weist einen Hydromotor mit verstellbarem Hubraum auf, wobei eine Drehzahlregelung des Hydromotors durch Hubraum-Verstellung durchgeführt wird.

Gemäß Merkmal k) kann somit ein weiterer Energieträger für die Optimierung der Effizienz des Energiespeichersystems genutzt werden. Der hierfür erforderliche Aufwand ist relativ gering, da im Energiespeichersystem lediglich an geeigneter Stelle, z.B. in der Druckgas-Speichereinheit, ein entsprechender Wärmetauscher zur Aufnahme der Wärmeenergie erforderlich ist.
Gemäß Merkmal I) kann die Effizienz des Energiespeichersystems durch eine innovative Steuerung des wenigstens einen Ventils während der Ausspeicherung optimiert werden. Hierdurch werden unnötige Druckverluste im Druckgas-Kreis vermieden. So kann z.B. das Ventil am Anfang eines jeweiligen Zyklus geöffnet und schon vor Beendigung des Zyklus wieder geschlossen werden. Als Schließbedingung kann z.B. geprüft werden, ob das Produkt aus Druck und Volumen im Pneumatik-Zylinder einen bestimmten Wert erreicht. Der Wert richtet sich nach dem Nennvolumen des Pneumatik-Zylinders und dem minimalen erforderlichen Differenz-Druck des Hydraulikmotors, z.B. 40 bar. Dementsprechend schließt das wenigstens eine Ventil exakt derart, dass am Ende des Zyklus, wenn der Pneumatik-Kolben seinen Endpunkt erreicht hat, der Minimaldruck für den Hydraulikmotor anliegt. Weil der Pneumatik-Zylinder im nächsten Zyklus wieder mit der Atmosphäre verbunden wird, geht auch nur dieser Minimaldruck verloren bzw. es geht im Vergleich zum späteren Schalten eine geringere Luftmasse verloren.
Gemäß Merkmal m) kann eine besonders effiziente und verlustarme Drehzahlregelung des Hydromotors realisiert werden, was ebenfalls der Betriebseffizienz des Energiespeichersystems zugutekommt.
Das Energiespeichersystem kann eine Steuereinheit aufweisen, beispielsweise eine mit einem Rechner gesteuerte Steuereinheit, durch die die einzelnen Komponenten gesteuert werden. Insbesondere können durch die Steuereinheit auch die erforderlichen Ventile im Druckgas-Kreis und/oder im Hydraulik-Kreis gesteuert werden.
Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln, eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens der zuvor erläuterten Art, wenn das Computerprogramm auf einem Rechner einer Steuereinheit des Energiespeichersystems ausgeführt wird.
Zusammengefasst können mit der Erfindung folgende Vorteile erzielt werden:

1. Verwendung PCM und Kühlrippen an der Außenwand der Gasflaschen der Druckgas-Speichereinheit, der Kolbenzylinder und/oder des Tanks → Ersetzt jegliche Wärmetauscher, Verbesserung des Wirkungsgrades und Reduzierung der Kosten für die Wärmerückgewinnung
2. Möglichkeit zur Nutzung der industriellen Abwärme und/oder Wärme aus Sonnenkollektoren durch Wasser-Kreisläufe angeordnet an der Außenwand der Gasflaschen → Nutzung der Abwärme für Energie-Einspeicherung und Ausgleich der Selbstentladung des Energiespeichers, erhöhte Rentabilität des Systems, einzigartige Wärmerückgewinnung ohne die Verwendung von Kühl- und Wärmezufuhrkreisläufe
3. Kombination von Hydraulik-Zylinder und Pneumatik-Zylinder für die Hydraulik-Gas-Druckübertragung → Erhöhte Sicherheit, geringere Wartungsintensität, höhere Lebensdauer
4. Auftragen einer Isolierungsschicht (fester temperaturbeständiger Kunststoff) an der Unterseite des Kolbens verhindert Gas-ÖI-Wärmeübergang → Erhöhung des Wirkungsgrades
5. Im Regelkonzept kann über die Hubraum-Verstellung des Hydromotors die Drehzahlregelung realisiert werden, die sicherstellt, dass der Hydromotor und der Generator stets mit optimaler Drehzahl gefahren werden. → Verringerung der Reaktionszeit (Zeit bis zum Erreichen der Nennleistung) und Erhöhung des Wirkungsgrades

Soweit der Begriff „Pneumatik“ oder „pneumatisch“ verwendet wird, bezieht sich dies nicht ausschließlich auf Luft als verwendetes Gas, sondern schließt Gase jeder Art mit ein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen

1 ein Energiespeichersystem in einer ersten Ausführungsform,
2 einen zweiten Energiewandler in einer ersten Ausführungsform,
3 einen Tank,
4 ein Energiespeichersystem in einer zweiten Ausführungsform,
5 einen zweiten Energiewandler in einer zweiten Ausführungsform,
6 eine Druckgas-Speichereinheit in einer ersten Ausführungsform,
7 eine Druckgas-Speichereinheit in einer zweiten Ausführungsform.

Das in 1 dargestellte Energiespeichersystem ist als geschlossenes System ausgebildet. Das Energiespeichersystem weist eine elektrische Anschlusseinheit zum Anschluss des Energiespeichersystems an ein elektrisches Energieversorgungsnetz L.0 auf, z.B. an ein Dreiphasennetz. Die elektrische Anschlusseinheit weist einen Transformator L.1 und einen Frequenzumrichter L.5, L.7 auf. Der Frequenzumrichter L.5, L.7 ist mit einer elektrischen Maschine L.8 verbunden, die über eine Kupplung L.9 mit einer verstellbaren Axialkolbenmaschine L.10 verbunden ist. Die elektrische Maschine L.8 und die Axialkolbenmaschine L.10 bilden zusammen mit der Kupplung L.9 einen ersten Energiewandler des Energiespeichersystems.
Die Axialkolbenmaschine L. 10 ist hydraulisch mit einem Hydraulik-Kreislauf verbunden, in dem ein erstes Ventil L.6, ein zweites Ventil L.11, ein Tank L.15, eine Vorpumpe L.14, die über einen Motor L.13 angetrieben werden kann, und ein Filter L.12 angeordnet ist. Im Hydraulik-Kreislauf kann ein Hydraulikmedium verwendet werden, z.B. Öl. Das erste Ventil L.6 kann als 3/3-Wegeventil ausgebildet sein, das zweite Ventil L.11 als 2/2-Wegeventil. Das erste Ventil kann auch anders ausgebildet sein, z.B. als Kombination mehrerer 3/2-Wegeventile oder 2/2-Wegeventile. Das erste Ventil L.6 ist mit einem oder mehreren parallel geschalteten Kolbenspeichern L.3a-L.3d verbunden. Die Kolbenspeicher L.3a-L.3d bilden einen zweiten Energiewandler für die Energiewandlung Hydraulikmedium/Druckgas. Die Kolbenspeicher L.3a-L.3d sind über Druckgas-Leitungen mit einer Druckgas-Speichereinheit L.2a-L2.d verbunden. Die Druckgas-Speichereinheit L.2a-L.2d kann mehrere parallel geschaltete Speicherbehälter, z.B. Gasflaschen, haben.
Bei der Energie-Einspeicherung kann elektrische Überschussenergie über den Transformator L.1 und den Frequenzumrichter L.5, L.7 für den Antrieb der elektrischen Maschine L.8 genutzt werden, die mit der verstellbaren Axialkolbenmaschine L.10 über die Kupplung L.9 verbunden ist. Diese wandelt die mechanische Leistung in hydraulische Leistung um und pumpt das Arbeitsfluid, z.B. Hydraulik-Öl, aus dem Tank L.15 über das 3-3-Wege Ventil L.6 Stellung 3 in ein oder mehrere parallel geschaltete Kolbenspeicher L. 3a-3d. Die Vorpumpe L.14 mit dem zugehörigen, elektrischen Motor L.13 sorgt für einen Vordruck am Eingang der Axialkolbenmaschine L. 10 auch bei Druckverlust des Filters L.12. Die Pumparbeit der Axialkolbenmaschine L. 10 führt in den Kolbenspeichern L.3a-3d zu einer Verschiebung des Kolbens „nach oben“, also zu einer Verkleinerung des Gasvolumens, woraufhin das Gas in den Gasflaschen L.2a-2d komprimiert wird und seinen Druck erhöht wird. Bei der Ausspeicherung wird das 3-3-Wege-Ventil L.6 in die Stellung 1 gebracht, sodass die gleiche Drehrichtung der Axialkolbenmaschine L.10 bei der Ausspeicherung und der Einspeicherung realisiert wird. Die Axialkolbenmaschine L.10 entspannt das unter dem Gasdruck stehende Öl und treibt dabei die elektrische Maschine L.8 an. Das Öl wird über das Absperrventil L.11 Stellung 2 zurück in den Tank L.15 geführt. Als Gas kann reiner Stickstoff verwendet werden.
Die 2 zeigt den erfindungsgemäß modifizierten Kolbenspeicher L3a-3d. Um einen handelsüblichen Kolbenspeicher E.10 wird ein Kühlrippen-Gestell E.5 aus Aluminium (alternativ Kupfer, Keramiken,) befestigt. Es erhöht die Wärmeübergangsfläche zum Phasenwechselspeichermaterial E.6 (PCM, phase change material) und damit die Wärme-Austauschdynamik, die zu einem geringeren Temperatur-Anstieg der Gasseite des Kolbenspeichers führt. Das Kühlrippen-Gestell E.5 wird mit einer dünnen Kunststoffschicht umgeben und das PCM in die verbleibenden Hohlräume gegeben. Um die Kunststoffschicht wird eine z.B. wenige Zentimeter dicke Wärmeisolation E.7 z.B. aus Schaumstoff, Styropor realisiert. Zusätzlich wird die Unterseite des Kolbens mit einer Wärmeisolierschicht E.11, z.B. fester Kunststoff, versehen, um den Wärmeübergang von Öl zum Gas zu minimieren.
Die Wirkung des PCM: Die Kompressionswärme fließt über die Zylinder-Außenwand zu den Kühlrippen und zum PCM und bewirkt zunächst eine Temperaturerhöhung dieser Komponenten und des Gases, bis zu dem Schmelzpunkt des PCM. Darüber hinaus anfallende Kompressionswärme führt zu einer Verflüssigung des PCM und nicht mehr direkt zu einer Temperaturerhöhung der Komponenten (real flacht der Temperaturanstieg abhängig von der Wärmeaustauschdynamik (Wärmeübergangsfläche) ab.
Die 3 zeigt einen modifizierten Tank, z.B. den Tank L.15. Ähnlich wie bei dem Kolbenspeicher L3a-3d kann um den Tank ein Kühlrippen-Gestell E.5 aus Aluminium (alternativ Kupfer, Keramiken) befestigt werden. Das Kühlrippen-Gestell E.5 wird mit einer dünnen Kunststoffschicht umgebenund das PCM in die verbleibenden Hohlräume gegeben. Um die Kunststoffschicht wird eine z.B. wenige Zentimeter dicke Wärmeisolation E.7, z.B. aus Schaumstoff, Styropor, realisiert. Das PCM E.6 mit den Kühlrippen E.5 und der Isolation E.7 um den Tank ersetzt die Ölkühlung mit Ventilator, verbessert dadurch den Wirkungsgrad und hält das Öl stets auf optimaler Arbeitstemperatur, da die optimale Arbeitstemperatur des Öls (46 - 52 °C) relativ genau mit der Schmelztemperatur des PCM übereinstimmt.
Das Energiespeichersystem gemäß 1 kann z.B. für die Realisierung eines Leistungskonzepts eingesetzt werden. Die 4 zeigt eine Ausführungsform eines Energiespeichersystems, das sich gut als Kapazitätskonzept eignet. Das Energiespeichersystem gemäß 4 ist als offenes System ausgebildet, das bei Bedarf mit der Atmosphäre verbunden wird. Ein elektrisches Energieversorgungsnetz K.0 ist über eine elektrische Anschlusseinheit K.6, K.11, K.12 mit dem ersten Energiewandler K.14, K.15, K.16, K.17 verbunden. Die elektrische Anschlusseinheit kann vergleichbar wie bei der Ausführungsform der 1 einen Transformator K.6 und einen Frequenzumrichter K.11, K.12 aufweisen. Der erste Energiewandler kann vergleichbar wie bei der Ausführungsform der 1 eine elektrische Maschine K.14 und als Fördereinrichtung für das Hydraulikmedium eine Axialkolbenpumpe K.17 aufweisen. Die elektrische Maschine K.14 ist über eine Kupplung K.15 und eine Schwungmasse K.16, die mit der Welle der Axialkolbenmaschine K.17 gekoppelt ist, mit dieser Axialkolbenmaschine K.17 verbunden.
Die Axialkolbenmaschine K.17 ist mit einem Hydraulik-Kreislauf verbunden. Der Hydraulik-Kreislauf weist, ähnlich wie bei der Ausführungsform der 1, einen Tank K.21, eine Vorpumpe K.22 mit elektrischem Motor K.19 sowie ein Filter K.18 auf. Ferner ist auch hier zur Steuerung des Hydraulikmediums ein erstes Ventil K.13 vorhanden, das in diesem Fall als 4/3-Wegeventil ausgebildet ist. Selbstverständlich kann das erste Ventil K.13 auch durch eine andere Anordnung von Wegeventilen gebildet werden.
Das erste Ventil K.13 dient zur Verbindung des erläuterten Hydraulik-Kreislaufs, insbesondere der Axialkolbenmaschinen K.17, mit einer ersten Hydraulikzylindergruppe K.8a-K.8d und einer zweiten Hydraulikzylindergruppe K.10a-K.10d. Die jeweiligen Hydraulikzylinder der beiden Hydraulikzylindergruppen K.8a-K.8d, K.10a-K.10d sind mechanisch über ihre Kolbenstangen mit jeweiligen Pneumatikzylindern K.7a-K.7d, K.9a-K.9d gekoppelt. Diese Anordnungen aus den Hydraulikzylindern und den Pneumatikzylindern bilden den zweiten Energiewandler. Durch entsprechende Steuerung des ersten Ventils K.13 kann über die Axialkolbenmaschine K.17 das Hydraulikmedium wechselweise von der ersten Hydraulikzylindergruppe K.8a-K.8d in die zweite Hydraulikzylindergruppe K.10a-K.10d oder in entgegengesetzter Richtung gepumpt werden, d.h. von der zweiten Hydraulikzylindergruppe K.10a-K.10d in die erste Hydraulikzylindergruppe K.8a-K.8d.
Die Druckgas-Anschlüsse der Pneumatikzylinder K.7a-K.7d, K.9a-K.9d sind über Steuer-Absperrventile K.2, K.3 wahlweise mit der Druckgas-Speichereinheit verbindbar, die in diesem Fall, ähnlich wie bei der Ausführungsform der 1, durch mehrere parallel geschaltete Gasflaschen K.1a-K.1d gebildet wird. Zudem sind die Druckgas-Anschlüsse der Pneumatikzylinder über Steuer-Absperrventile K.4, K.5 wahlweise über einen Luftfilter K.20 mit einem Atmosphärenanschluss K.21 verbindbar. Der Atmosphärenanschluss K.21 ist mit der umgebenden Luftatmosphäre verbunden.
Wie bei dem Leistungskonzept kann bei der Energie-Einspeicherung elektrische Überschussenergie für den Antrieb der elektrischen Maschine K.14 genutzt werden, die mit der Axialkolbenmaschine K.17 gekoppelt ist. Diese wandelt die mechanische Leistung in hydraulische Leistung um und pumpt das Arbeitsfluid (z.B. Hydraulik-Öl) von einem oder mehreren parallel geschalteten Hydraulik-Zylindern K.8a-8d in die zweite Gruppe eines oder mehrerer parallel geschalteter Hydraulik-Zylinder K.10a-10d. Jeder Hydraulik-Zylinder ist mit einem Pneumatik-Zylinder K.7a-7d, K.9a-9d starr verbunden.
Durch das Herauspumpen des Arbeitsfluids aus dem zuerst vollen Hydraulik-Zylinder wird in dem mit ihm verbundenen Pneumatik-Zylinder über den Atmosphärenanschluss K.21 Außenluft eingesogen. Mit der anderen Pneumatik-Zylinder-Gruppe, die mit den zu befüllenden Hydraulik-Zylindern gekoppelt sind, werden die Gasflaschen verbunden. Die Pneumatik-Zylinder dieser Seite komprimieren in der Folge der Pumparbeit der Axialkolbenmaschine K.17 das Gas in den Druckgasflaschen K.1a-K.1d. Sind die Hydraulik-Zylinder dieser Seite gefüllt, ermöglicht die Ventilsteuerung der Steuer-Absperrventile K.2 - K.5 das Verbinden der Druckgasflaschen K.1a-K.1d mit den Pneumatik-Zylindern der anderen Einheit und der zweite Zyklus beginnt von vorne.
Der Energiespeicher ist vollständig beladen, wenn der Druck in den Druckgasflaschen K.1 a-1 d einen bestimmten Maximaldruck (bis zu 350 bzw. 500 bar) erreicht. Je höher die Ausspeicherdauer der geforderten Anwendung ist, desto mehr Druckgasflaschen werden eingesetzt und desto mehr Zyklen werden durchlaufen. Bei der Ausspeicherung werden die Druckgasflaschen stets auf die Seite mit den vollen Hydraulik-Zylindern und dementsprechend leeren Pneumatik-Zylindern geschaltet, sodass sich die Funktionsweise umkehrt und die Axialkolbenmaschine K.17 den Differenz-druck der Druckgasflaschen zum Atmosphärendruck für den Antrieb der elektrischen Maschine K.14 nutzen kann.
Die 5 zeigt bespielhaft eine der Hydraulikzylinder/Pneumatikzylinder-Anordnungen aus 4. Ähnlich wie der Kolbenspeicher ist der einfachwirkende Pneumatik-Zylinder E.8 mit Kühlrippen E.5, PCM E.6 und Wärmeisolation E.7 versehen, der einfachwirkende Hydraulik-Zylinder E.9 nicht.
Die Gasflaschen bilden zusammen mit dem eingesetzten PCM und der Wärmeisolierung die für beide Konzepte einheitlich einsetzbare Druckgas-Speichereinheit. Die 6 zeigt die vereinfachte Schnittansicht einer Gasflasche von der Seite und eines Gasflaschen-Bündels von oben.
Die Gasflaschen E.3, z.B. mit einem Volumen von jeweils 50 bis 400 I, werden in der geforderten Stückzahl beschafft, mit den Kühlrippen E.5 in Form einfacher (Aluminium, Kupfer)-Klemmringe um die Gasflaschen versehen und in einem Gestell, z.B. aus Stahl und/oder Aluminium, aufgestellt, in dem mehrere Gasflaschen untergebracht werden können. Bei herkömmlichen Bündel-Gestellen ist der Platz zwischen den Gasflaschen nicht ausreichend, um dort Kühlrippen und die erforderliche Menge an PCM unterzubringen. Je nach Kapazitätsanforderung des Kunden wird die Anzahl der Gasflaschen-Bündel bestimmt. Nachdem die Gasflaschen mit Kühlrippen im Gestell platziert sind, wird das PCM E.6 in die Hohlräume gegeben. Gleichzeitig wird das Gestell erwärmt, sodass das PCM schmilzt und die Hohlräume vollständig ausgenutzt werden. Abschließend wird eine Wärmeisolierung E.7 aus z.B. Schaumstoff, Styropor, wenige Zentimeter, rund um das Gestell realisiert.
Sowohl mit dem Leistungs- als auch mit dem Kapazitätskonzept kann mit der in 7 dargestellten Druckgas-Speichereinheit industrielle Abwärme genutzt werden. Die 7 zeigt die vereinfachte Schnittansicht einer Gasflasche von der Seite und eines Gasflaschen-Bündels von oben. Anstelle der Kühlrippen werden die Gasflaschen E.3 mit einer quaderförmigen und gut wärmeleitfähigen Wasserleitung umwickelt E.2, deren Enden mit einem Vorlaulaufanschluss E.1 und Rücklaulaufanschluss E.4 des Gestells verbunden werden. Als Alternative kann das wärmeführende Wasser die Gasflaschen direkt umgeben und bei Unterschreiten einer bestimmten Temperatur abgeleitet und durch neues, wärmeführendes Wasser ersetzt werden.
Auch hier wird das Gestell abschließend mit Isolationsmaterial E.7 umgeben. Das warme Wasser der industriellen Abwärme fließt in den Verlauf, um die Gasflaschen herum, erwärmt diese, erhöht dadurch den Gastdruck darin und fließt kälter aus dem Rücklauf wieder heraus.
Je nach Kunden-Anforderungen kann die Druckgas-Speichereinheit des ganzen Energiespeichersystems aus einer oder mehreren Einheiten gemäß 6, aus einer oder mehreren Einheiten gemäß 7 oder gemischt aus Einheiten gemäß 6 und 7 bestehen, die, gemeinsam oder getrennt, in Containern untergebracht werden können.
Der Container der Druckgas-Speichereinheit kann von innen isoliert und mit einem Druckgasanschluss für die Verbindung mit dem Container versehen werden, in dem die Leistungseinheit des Energiespeichersystems untergebracht wird. Je nach Nutzung industrieller Abwärme muss natürlich auch am Container der Vor- und Rücklaufanschluss vorgesehen werden, bei denen die einzelnen Vor- und Rücklaufanschlüsse der Abwärme-Kapazitätseinheiten zusammengeschaltet werden.

Claims

Elektrisches Energiespeichersystem zur Ein- und Ausspeicherung elektrischer Energie mit wenigstens den folgenden Komponenten: a) eine elektrische Anschlusseinheit zum Anschluss des Energiespeichersystems an ein elektrisches Energieversorgungsnetz, b) ein erster Energiewandler, der mit der elektrischen Anschlusseinheit elektrisch verbunden ist und zur Umwandlung von über das Energieversorgungsnetz zugeführter elektrischer Energie in hydraulische Energie eingerichtet ist, die über ein im Energiespeichersystem befindliches Hydraulikmedium bereitgestellt wird, c) ein zweiter Energiewandler, der mit dem ersten Energiewandler hydraulisch verbunden ist und zur Umwandlung der vom ersten Energiewandler bereitgestellten hydraulischen Energie in Gasdruck-Energie eingerichtet ist, die über ein im Energiespeichersystem befindliches Druckgas bereitgestellt wird, d) eine Druckgas-Speichereinheit, die über eine Druckgas-Verbindung mit dem zweiten Energiewandler verbunden ist und zur Speicherung der vom zweiten Energiewandler bereitgestellten Gasdruck-Energie in Form komprimierten Druckgases eingerichtet ist, gekennzeichnet durch eines, mehrere oder alle der folgenden Merkmale e), f), g), h): e) wenigstens ein Teil des zweiten Energiewandlers und/oder der Druckgas-Speichereinheit weist ein Phasenwechselspeichermedium auf, in dem beim Komprimieren des Druckgases entstehende Kompressionswärme speicherbar ist, f) der zweite Energiewandler weist wenigstens einen Kolbenraum auf, in dem ein Trennkolben beweglich gelagert ist, wobei durch den Trennkolben das Druckgas vom Hydraulikmedium getrennt ist, wobei der Trennkolben ein Basismaterial und ein Wärmeisolationsmaterial aufweist, das eine geringere Wärmeleitfähigkeit hat als das Basismaterial, wobei durch das Wärmeisolationsmaterial eine Wärmeisolationsschicht zwischen dem Druckgas und dem Hydraulikmedium gebildet ist, g) der zweite Energiewandler weist wenigstens einen Hydraulikzylinder und einen vom Hydraulikzylinder separaten, mit dem Hydraulikzylinder mechanisch gekoppelten Pneumatikzylinder auf, der vom Hydraulikzylinder thermisch entkoppelt ist, h) die Druckgas-Speichereinheit weist einen Wärmetauscher auf, durch den dem Wärmetauscher extern zugeführte Abwärme dem komprimierten Druckgas zuführbar ist.
Elektrisches Energiespeichersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Phasenwechselspeichermediums an einer Außenseite wenigstens eines Teils des zweiten Energiewandlers und/oder der Druckgas-Speichereinheit angeordnet ist, an der Kühlrippen angeordnet sind.
Elektrisches Energiespeichersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippen mit einer Kunststoffschichtabgedeckt sind und das Phasenwechselspeichermedium in den zwischen der Kunststoffschicht, den Kühlrippen und der Außenseite wenigstens eines Teils des zweiten Energiewandlers und/oder der Druckgas-Speichereinheit verbleibenden Hohlräumen angeordnet ist.
Elektrisches Energiespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Phasenwechselspeichermedium gespeicherte Kompressionswärme dem Druckgas bei der Ausspeicherung aus der Druckgas-Speichereinheit wieder zuführbar ist.
Elektrisches Energiespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiespeichersystem ohne Wärmetauscher im Bereich des zweiten Energiewandlers ausgebildet ist.
Elektrisches Energiespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Energiewandler als bidirektionaler Energiewandler ausgebildet ist, durch den wahlweise zugeführte elektrische Energie in hydraulische Energie unwandelbar oder hydraulische Energie in aus dem Energiespeichersystem auszuspeichernde elektrische Energie unwandelbar ist.
Elektrisches Energiespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Energiewandler als bidirektionaler Energiewandler ausgebildet ist, durch den wahlweise zugeführte hydraulische Energie in Gasdruck-Energie unwandelbar oder aus der Druckgas-Speichereinheit auszuspeichernde Gasdruck-Energie in hydraulische Energie unwandelbar ist.
Elektrisches Energiespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Energiewandler mit einem Hydraulik-System verbunden ist, das einen Tank hat, in dem ein Vorrat an Hydraulikmedium gespeichert ist.
Elektrisches Energiespeichersystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Tank über eine Hydraulikpumpe und einen Filter hydraulisch mit dem zweiten Energiewandler gekoppelt ist.
Elektrisches Energiespeichersystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass um den Tank herum ein Phasenwechselspeichermedium angeordnet ist.
Elektrisches Energiespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Energiewandler als Einhub-System ausgebildet ist, bei dem die maximale Einspeicherkapazität durch das verfügbare Aufnahmevolumen des zweiten Energiewandlers für das Hydraulikmedium begrenzt ist.
Elektrisches Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Energiewandler als zyklisch betriebenes Wechselhub-System ausgebildet ist, bei dem zumindest bei der Einspeicherung elektrischer Energie in das Energiespeichersystem das Hydraulikmedium zyklisch zwischen einem ersten und einem zweiten Kolbenspeicher des zweiten Energiewandlers hin- und her gefördert wird.
Elektrisches Energiespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere oder alle Komponenten des Energiespeichersystems in einem Gehäuse untergebracht sind, das einem Frachtcontainer gemäß ISO 668 entspricht, insbesondere einem 20-Fuß- oder 40-Fuß-Frachtcontainer.
Verfahren zur Ein- und Ausspeicherung elektrischer Energie mittels eines Energiespeichersystems mit wenigstens den folgenden Komponenten: a) eine elektrische Anschlusseinheit zum Anschluss des Energiespeichersystems an ein elektrisches Energieversorgungsnetz, b) ein erster Energiewandler, der mit der elektrischen Anschlusseinheit elektrisch verbunden ist und zur Umwandlung von über das Energieversorgungsnetz zugeführter elektrischer Energie in hydraulische Energie eingerichtet ist, die über ein im Energiespeichersystem befindliches Hydraulikmedium bereitgestellt wird, c) ein zweiter Energiewandler, der mit dem ersten Energiewandler hydraulisch verbunden ist und zur Umwandlung der vom ersten Energiewandler bereitgestellten hydraulischen Energie in Gasdruck-Energie eingerichtet ist, die über ein im Energiespeichersystem befindliches Druckgas bereitgestellt wird, d) eine Druckgas-Speichereinheit, die über eine Druckgas-Verbindung mit dem zweiten Energiewandler verbunden ist und zur Speicherung der vom zweiten Energiewandler bereitgestellten Gasdruck-Energie in Form komprimierten Druckgases eingerichtet ist, mit den Verfahrensschritten: i) Einspeicherung elektrischer Energie in das Energiespeichersystem durch Umwandeln der elektrischen Energie über den ersten Energiewandler in hydraulische Energie und der hydraulischen Energie über den zweiten Energiewandler in Gasdruck-Energie und Speichern der Gasdruck-Energie in Form komprimierten Druckgases in der Druckgas-Speichereinheit, j) Ausspeicherung elektrischer Energie aus dem Energiespeichersystem durch Dekomprimieren von in der Druckgas-Speichereinheit gespeichertem komprimierten Druckgas und Erzeugen hydraulischer Energie daraus über den zweiten Energiewandler oder einen weiteren zweiten Energiewandler, und Umwandeln der hydraulischen Energie über den ersten Energiewandler oder einen weiteren ersten Energiewandler in elektrische Energie und abgeben der elektrischen Energie an das elektrische Energieversorgungsnetz oder einen sonstigen elektrischen Verbraucher, gekennzeichnet durch einen, mehrere oder alle der folgenden Verfahrensschritte k), I), m): k) dem Energiespeichersystem wird als weiterer Energieträger Wärmeenergie in Form industrieller Abwärme und/oder Wärme aus Sonnenkollektoren zugeführt, wobei im Energiespeichersystem durch die Wärmeenergie das in der Druckgas-Speichereinheit befindliche Druckgas erwärmt wird, I) der Druckgas-Kreis des zweiten Energiewandlers ist über wenigstens ein Ventil mit der umgebenden Atmosphäre verbindbar, wobei bei der Ausspeicherung elektrischer Energie aus dem Energiespeichersystem das Ventil zyklisch geöffnet und geschlossen wird, wobei das Ventil in einem jeweiligen Zyklus geschlossen wird, bevor in ein bestimmter Druckwert des Gasdrucks im Druckgas-Kreis des zweiten Energiewandlers erreicht ist, der oberhalb des Atmosphärendrucks liegt, m) der erste Energiewandler weist einen Hydromotor mit verstellbarem Hubraum auf, wobei eine Drehzahlregelung des Hydromotors durch Hubraum-Verstellung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiespeichersystem ein Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13 ist.
Computerprogramm mit Programmcodemitteln, eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 14 oder 15, wenn das Computerprogramm auf einem Rechner einer Steuereinheit des Energiespeichersystems ausgeführt wird.