DE1533813A1 - Druckluft- und Druckgasspeicher fuer Energieversorgung - Google Patents

Description

Druckluft- und Druekgaspeicher für Energieversorgung

Die Erfindung bezieht sich auf die Speicherung von Druckluft und Druckgas für Speicherkraftv.erke, die auf dem Prinzip der Gasturbine beruhen". Sie ist jedoch für die allgemeinere Energieversorgung also eine Stadtgas- und Druekluftversorgung mit anwendbar.

Bekanntlich unterliegt der Verbrauch bei Euergieversorgungsunternehmen tages-, wochen- und jahreszeitlich bedingten Schwankungen, die insbesondere bei der Stromversorgung hohe Kosten ver-.ursachen. Die zum Ausgleich eingesetzten Pumpspeicherwerke haben hohe Energieverluste und Anlagekosten und erfordern ein geeignetes Gelände.

Ein anderes Verfahren, das auf dem Prinzip der Gasturbine beruht, hat trotz großer Vorzüge noch keine Anwendung gefunden. Die Verdichter der Gasturbine sollen dabei mit Überschußstrom betrieben und die verdichtete Luft bzw. Brenngas soll gespeichert werden. Ohne die Verdichter kann dann die Gasturbine in Seiten hohen Bedarfs die dreifache Leistung abgeben.

Einer der Hauptgründe der bisherigen TTichtanwendur;g liegt in 1er Schwierigkeit, die verdichteten Gase insbesondere die Druckluft zu speichern. Eine oberirdische Speicherung in künstlichen Druckgefäßen ist zu teuer. Untergrundspeicher in porösem Gestein, v/ie aie für Brenngas angewendet werden, sind für eine tägliche !füllung und Entleerung wenig geeignet und führen zu erheblichen Druckverlusten. Die Absenkung von Speicherbehälter^ auf den Grund eines Sees erfordert ausreichend tiefe Gewässer und bringt- Schwierigkeiten bei der Verlegung, Beschwerung und Verankerung von Rohrleitungen und Behälter.

für die Benutzung stillgelegter Bergwerke, ausgelaugter Kavernen in Salzstöcken oder anderer bergmännisch nergestellter Hohlräume wurden bisher zwei Verfahren vorgeschlagen.

Das eine ist die Aufladespeicnerimg einer gasdicht gemachten Kaverne, indem beispielsweise ein Gefälle von 50 auf 25 ata abgearbeitet und wieder aufgeladen wird. Die Speicherwände werden dabei mit veränderlichem Druck und durch Wäraedehnung beansprucht, denn die Verdichtung der Restluft im Speicher führt zu relativ hoher Lufttemperatur bei maximaler Füllung, was außerdem die gespeicherte Menge beeinträchtigt. Wirkungsgrad und Leistung der Maschinen verändern sich mit den Druck und können nicht auf ihren

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Höchstwerten gehalten «erden. www.w iw

Sine wesentliche Verbesserung In dieser.Hinsicht bringt das Oleich druckverfahren, bei dem von einen hochgelegenen Behälter Wasser in den Speicher fließen soll, das bei einer Flillung wieder herausgedrängt wird. Aur diese Weise kann die gesagte gespeicherte luftmenge ^ertutst weiden. Außerdem sinkt ihr Druck nicht ab. Aus beidan BlnflUSen folgt eine starke ätuigerung der spezifischen Speicherleistung, also der pro or gespeicherten Vorrliohtu.-jiaerbeit (kWh). Nachteilig 1st dar zusätzliche Aufwand für das Verdrjii^ungewasser insbesondere die Schaffung eines Htthenunterschiedee zwischen den oberen Wasserspeicher \uA Luftspeicher, was in der Regel einen tiefe;. Schacht orforu .rt. "aohteili, ist'fernar die erode Berührungsfläche zwischen Wasser und Luft, da durch Löslichkeit der DrucKluic in Wasser bei vollständiger Süttit;ur»g etwa 2£ der Luft verloren gehen. Bin dritter Ifachfcell ist die zusätzliche Erwärmung der Luft durch statische Verdi oh tutig auf den Äfeßtzu des tiefen Speicher, die nicht im nachkühler niater den Verdichter mit abgeführt werden kann. Biese Brwämung nacht ein grüSeres Speichervolunsn erforderlich.

Ber Erfindung liegt die Aufgabezugrunde, sin,billiges u&d. eicheres Speicherverfahren au entwickeln, das die iiaohtoile beider Verfuhren veruaidttt oder soweit einschränkt, als sie wirtschaftlich von Bedeutung sind. .

Bevor auf die Brfindung näher eingegangen wird, soll über eins Untersuchung berichtet werden, die für die Entwicklung eines brauchbaren Speicherverfahrene von grundlegender Bedeutung ist. Ausgegangen wird von der Oleiohdruokspeicherur.g, als den sweoknäSigeren Verfahren. Blnnt nan den einfachen Fall an, daß die Sruokluftleitung in eiaenwassergefmiten Sohaoht verlegt 1st, der selbst zur Auf- und Siederleitung des Verdränsungewaeeere dient, so ergibt sich, daß ein längerer und duait teurerer Sch&cht zu einen höheren Druck der Wassersäule führt, was einen kleineren Speicher ermttgllcht. Höherer Druck führt nicht ϊ.\λ£ zu ©inen gro*- fieren Luftgewioht pro tr Speicher» sondern zu ei.wr höheren Arbeitsfähigkeit je kg Luft, umgekehrt führt ein kurzer billiger Schacht zu einen niedrigen Brück und d&iit groje-. teuren Speieher. Bs muß also für eine vorgegebene Speicherkapazität eine wirtschaftliche Schachttiefe geben, bsi der die Sesc^tkosten ein Mlnlwerden. 3ie Berechnung führt zu si.ar Pöraei, in dia d,ie Ver-

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lie!.ViUißeurb'uit nit ulnbozoöoi: 1st. 3ie laut oieh üfferensleren, und durc ι !.'üh:j'. .ii:urocliiiuni? kai.n für gegebene Kosten ΰie wirt- <κ*·ΐ; i*U.j.v-)iG SüiiiäUiittiufo b.:j'Oui.tiot wurüen. ^iId 1 zei,*rt nun wie _t f ur noraalc uvhuuhL.:ootun von 6000 DH'm, Spoichorkueten von 200 Jüi/i£ uui «JurcnaciUiitUlc":3 Yurdichtu^fisvorhältnisse die Speioheri.oBteu (J*/kWh) ^eich --»1* dem Speicherdruck verüidorn und wie für äiuü <;i*üjore Speiul^rkupazitUt voa K ■ 6»1O^b kUh die gotrineBten Kootan urot bei übor 500 at und eii.«m oenrere tuuoond Motor tie-3; liicher »u erreichen Biitd. Ue er. ibt eich ttleo, dUJ «it atei-

KupuzitiU diti opoaif ..Spvicuerkoeten ge setsuäfiig abnehmen (etwa U; Luc Koovdn bei vierfachur Oi₁OSe) und der v/irtcchoftliohe 3peiv!i!ei\u*uck g^&etBBäBii; 8Ui)i.Mt. 'tiihlt ^an nie Iri/rerc 'Wicke, so utoißeu die Ko β tun bald rapide an. !Dies scheint bisher noch nicht voll üi'Aj j »nt tior.en su sein. Für die niedrigem Bnddrllcke ^

g.'i- Blaticiiärer Jaoturbiaou ^uui,^ieto Speicher su bauen

1«:;luu su «iiito:· Brrobiila fuhren und htvt kuc: nicLt -iwsu geruhrt. Di · ünotuj'b:. ο ...υα aJno u.i|-c!;enrt Hon ruiOiifuiip-iis der Spei-.t v;c:-ueii, wrb tuuunieuh durch 5ftls:horJcühiiu& und um^ _t; üsw. Jrnitsung t»eiU;eheud ;.iö :licJi iat. So hohe Drücke, wie diu oriv. -*3ten_# bieten aber maechineiitdcldiiBch Schwierigt:eiitiii und ücüiichta ttber 2000 u Tiefe uilesen ula 4;ro3e ^Iaetung iUvjeceUuu worden.

Srfindui^B^ettäe soll nun eine Kombination von Gleiohdruck- . und Aufladeepei cAoruiig erfolgen, i^dc-j ein unterirdischer Speieher ait BLüeaigkeitsverdrängung eunäohst nach de.i Oleichdruckverfahren gefttllt und ouachlieäeud durch Absperrung am FLttsBigkeiteaustritt Bueätsllch ieochor aufgeladen wird, oder indem ein Spei* " eher von größerer Höhe bereite während der FlUseigkeitsverdrängung eine Aufladung erfährt, der noch eine sueätsliche reine Aufladung folgen kann.

Man erreicht dadurch, daß die Speicherkapasitat größer wird als bei jedem einseinen Yerfahren, denn die Waeeerverdrängung ermöglicht eine höhere Speicherung als eine Aufladespeicherung; andererseits bewirkt die susätsliche Aufladung eine größere Speicherkapazität als für die vorgesehene Druckwasseraäule möglich wäre.

Dabei werden folgende Umstände genutzt*

1) Kino gewisse Druckänderung können Terdioater und Turbinen ohne. Hachteile verkraften, (was bei reinem Gleichdruok nicht genutet -

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2) Die Speichenrad· können eine gewisse Druckschwankung auehalten, (was bei Gloiehdruckspoicherung ungenutzt bleibt).

3) Jeder unterirdische Aufladeepeioher benötigt eine gewisse Brd-Uberdeokung. Bor Höhenunterschied kann eur Druckerzeugung von Verdrängungsmesser dienen, (was bei reiner Aufladespeicherung ungenutzt bleibt).

Durch kombinierte Verdrängung und Aufladung wird also hinsichtlich des Druckes die größtmögliche Speicherung er sielt. Run gibt ob eine Reihe weiterer faktoren, die für eine wirtschaftliche Speicherung wichtig sind. So 1st außer vom Druck die epezif.Speicherung noch von der Temperatur abhängig. Ferner lot es wichtig, die Absorption von Luft und Wasser su unterwinden, und schließlich nuß eine Speicherform gefunden warden, die billig herzustellen und sicher la Betrieb let. .

Um diese Forderungen weltestgehend su erfüllen, sollen erflndungegemäß die Speicherktivernen mit großer Höhe ausgeführt werden, b.B. als kreisrunde Schächte mit 10 bis 25 m Durchmesser und einer Höhe von 50 bis 300 m. Hierbei erfolgt eine Aufladung d.h. Druckerhöhung und Volumenveraiuderung des bereits gespeicherten Oases schon während der Wasserverdrängung, indem der Wasserspiegel sinkt, und dsoit eile Gesamthöhe der Druckwassersäule steigt. Eine reine Gleichdruckspelcherung 1st dagegen nur bei Speichern mit geringer Höhe, also einem Stollen oder kompakten Speicher annähernd zu erzielen. Diese haben den H&chteil großer Absorptx&neVerluste infolge großer Waeseroberfläche. Stollen können außerdem durch Einsture zügecchUttet werden, und kompakte Speichor mit zwangsläufig großer Grundfläche sind durch Herabbrechen der Speicherdecke gefährdet und erfordern einen teuren Ausbau. Für einen Wärmetausch im Speichersystem sind Insbesondere Stollen wenig geeignet. Der vorgeschlagene Speicher mit großer Höhe hat. dagegen eine kleine Wasseroberfläche. Die Absorptionsverluste werden damit gering und können durch eine schwimmende Xrennsohlcht (b.B. Paraffin, öl, ' Folien, Schwimmer usw.) fast völlig unterbunden werden. Bin Zuschütten eines Speicherteile kann nicht erfolgen, und bei allmäh- · lieber Erweiterung des Spelcherdurehmessers bsw. Speicherquerschnitte wird die Gefahr eines Deckenelnsturzes vermieden. Bin weiterer Vorteil ist die verbilligte Herstellung, da bei hohen ._f Speichern weltgehend die Haschinen, Geräte und Arbeitsmethoden der'

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hochentwickelten Schachtbautechnik eingesetzt «erden kennen. Wird dasau dor Speicher direkt unter dea Leitungeschacht abgeteuft, so kann Gestein und Baumaterial ohne Unladen mit der Schachtförderune an-'bzw. abtransportiert «erden. * Bei hohen Speichern rrird der Schacht ua die volle Höhe des Speichers verkürst, da das Verdrängungewaaaer nach DiId 2 In einer erheblich billigemRohrleitung 9 im Speicher selbst herabgeführt «erden kann. Sohlie$llch sind hohe Speicher vorteilhaft für einen unter irdischen farae tausch, deria folgenden ausgeführt wird.

Hs soll also in «eiterer Ausbildung der Erfindung is Speicher oder seiner Rahe ein '4armetauscher eingebaut werden. In des die luft vor Eintritt in den Speicher und während dw Speicherung gekühlt «erden kann« um besonders die W&rae infolge Selbstverdichtung in der Rohrleitung sowie die während der Aufladung entstehende Verdiohtungewärme absuführen. Dafür kann ein Rearenwaraetauscher Verwendung finden durch den s.B. TerdrMngungsvasser geleitet wird. Hach Bild 2 soll dafür aber vorsugsweise eine Rieselkolonne 1 in Speioherkopf vorgesehen «erden, in der in Gegenstroa von Wasser und Druckluft über austauschfOrdernde Hnbauten 2 eine tiefe Kttblung ersielt wird. Sie Druckluft wird über 5 sugslsitet und über 6 entnommen. Ober Leitung^ wird die kalte loft sum SpeicherfiTundbaw. Wasserspiegel hinabgeleitet, so daS eine thermische, stabile Schichtung im Speicher entsteht, darm die ältesten Luftschichten im Oberteil, «erden am meisten durch die Aufladung komprimiert und sind damit am wärmsten. So kann die jeweils wamste luft la Speicher über Leitung 4 susatslloh alt durch den Kühler gefördert werden. Das Kühlwasaer ließe sich mittels Pumpe dem Speioherwaaser entnehmen. Goronderte Wasserleitungen 7 und 8 von der Brdoberfläohe haben aber den Vorteil, dad dia Eaachinen über Sage sugänglich sind, kälteres Kühlwasser als das Spelchsrvaeser Torwendbar 1st und die gesamte Einrichtung auch für eine lsoohore (Drucksteigerung) und Isobare Er?/ürauiig der gespeicherten luft eiligesetst werden kannt lndea tot und während einer Luftentnahme heißes Wasser durch 7 in die Bieselkolonne gefördert und luft «mfcgegengefuart wird,· WLxd das Beiewasser aus Abwärme a.B. in den gwlaohenküttlern erieugt, sp erfolgt eine billige Wiederaufwärniang, su d@r als weitere Vorteile die Auf sftttieung alt I7cß3srdeapf miä λ±® gerlef^re Druckaanmhae in d@r .Rohrleitung-.koaasBt.'««· Druck= 2u£'t »sw, ¥#nIiohtuRfiaarbeit erspart« Bsi side's - «ass«rgefeilt«n ■..

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Schacht sind allartlings die Warsrarasser- und Druskluftleitungen su wäxnelsolleren.

Die vorgeschlagene Ualauf kühlung der is Speicher verdichteten luft sowie eine BrwärEiung des Speicherinhalts läßt sich bei GI a ichdruckspeichern alt groSer Srund- baw. Wasserfläche (Stollen) nicht verwirklichen. Der Temperaturausgleich mit Speicherwasoer und -wänden wäre su groö und eine Hisohüng von bereits gekühlter bsw. erwärater Luft alt der übrigen Luft laut sich schlecht veraeiden. Der echechtfo*ralg@ Speicher anglicht dagegen eine theraisshe Schichtung alt weitgehender Xrennung von wärraer wrü kalter Luft Ib Speicher.
Ausf ührungsbelsplels

Für ein Speicherkr.ft^erk von 1200 IiW Spitzenleistung sollen etwa 5 Ulli, k'fltt. VerdloLtuiigestroB Bitteis 30 (K)O t Druckluft gespeichert werden. Dafür wird eitt Schacht alt 4 ss DuroMiesssr und 1200 äeter länge abgeteuft, in de« eine Druokluftleitung von o_f9 B InnendurohBesaer verlegt ist. 3@r Schacht ist mit Wasser _h.fUllt. . An ihn schlieft siQn ein Speicherschacht von 3CO β Tiefe und 23 β Durchmesser an, so daS die Sesaiatteufe 1500 @ beträgt. Da^It wird ein Speioherreufi von 120 000 b' geschaffen. Durch einen Rieselkühler in Speicherkopf wird der Speicherinhalt auf durchschnittlich 10⁰O gekühlt (Höchcclaet la Winter). Va die aaxiaaXe Menge von 30 0(K) t su speichern, auö nach vollständlgar Wasserverdrängung und AbschluJ des Wassereustritts la Speicherkopf der Speicher bis auf 220 at aufgeladen werden. Die höchste Druckdifferenz zwischen Speicherkopf und Schacht beträgt darm .rund 90 ata. Der Druck am Verdichteraustritt bsw· Surbliieneintritt schwankt etwa zwischen 105 und 175 ata. Bsi Schachtkosten von 6000 Sü/m und Speicherkosten von 200 W/ar kostet der Oeeaatepelcher etwa ^O»10^ DM, dies sind 6 D24/kJh oder 25 ffi/k'2, also auSerordentlieh günstige Werte im Vergleich su Pumpspeicherwerken. -

Dieses in erster Liüie für Druckluft vorgesehene SpeibherVarfahren ist auch für die 3p sicherung gasfuvsiger Brennstoffe geeignet, * die lsi Speicherkr&ft^erlc selbst, oder auch für andere Zwecke eingesetzt werden. Feriäer 1st Wasser nicht die einsige in Frage kos- m®uäe ferdräniuiigeflüsslgkeit. Su speicherndes Mineralöl, oder spesii'. schwerere Xäsu^gen wie Sol© oder fonsuspeaslorien sind

Bit Törtell elnsets^afe Datei kfärni®®. @ΐ?@1 verschieden® c-tiisitig 'Μά"ϊ3®%μ$μι§, tiiiawsig woh®i s5gli^hipt äi©

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Claims (5)

■■■ ■ ■ : - 7 - -■- T5JW13 Patentanspruch

1) Verfahren und Vorrichtungeuruntsrirdisehen Speicherung von ' Druckluft und Druckgas dadurch gekeiinseichnet, daß eine Gleichdruckepeichcriuig ait flttseigkelteverdränßung »** einer Aufladeepeichorung verbunden wird, indem ein Speicher sunächet la Gleicndruekverfahren gefüllt und anschlieBend durch Absperrung an PlUssigkeitsuiistritt ioocaor woitor aufgeladen wird, oder indeia ein Sp jiciKir von grober Höhe gleichseitig alt der Plüsf}i^eit8ve^drin^*u:i4S eii.e Aufladu:.; erführt, die aiiochliefiend noch durch eii.e auaätzllche reJ hu Aufladung V'-rgröBert werden kann. -

2) Speichei* nach Anspruch 1 dadurch ßekennzeici.i.ut, daii unter eiiieia Loitu.i;5üüi;iiaüht oii.or oier :;e^;iroro Jpciuhcrocii'ichte alt vorsuc'eweiae riL-.do^ Querschivitt n-..Λ iilliaühliuher Brv?eiteruiig dee :jarc!»!-ieeeere abgeteuft werden.

3) Speicher nacii Anspruch 1 uud 2 dadurch gekennzeichnet* daß da· VcI¹UrJiHj-UiIj-ewaoser in einer Rohrleitung in Speicher herabgefuhrt viird.

4) Verfahren uui Vorrichiuiifi nach Anspruch 1 iu»i 2 dadurch gokennseiciii.üt, utiä in tier iSiiie des Speicherkopf68 Wänaetauscher, vorzugsweise oitie Hieeelkolonne eingebaut wer ion, in denen das iuiko.njdi.de bs\7. gespeicherte G&a gekühlt und/oder das gespeicherte bssw. entuo^iiene Gas erwärnt wird.

5) VerftJUron nach Anspruch 4 dadurch gekennseichi-et, daß la Speicher eine thermische Schichtung aufrecht erhalten tiird, indea kaltes Sruckgus jeweils aia Speichergrund, waraes dagegen am Speieherkopf entnoiaaen oder eingeleitet wird.

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