DE2321533A1

DE2321533A1 - Verfahren und anlage zur einspeicherung und rueckgewinnung von energie aus einem speicher

Info

Publication number: DE2321533A1
Application number: DE2321533A
Authority: DE
Inventors: Georges Alfred Rigollot
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1972-05-03
Filing date: 1973-04-27
Publication date: 1973-11-15
Also published as: US3895493A; FR2183340A5; SE389536B; DE2321533C2

Description

HD/HB/UMR/22.554 9 ^ ?1

20. 04. 1973 ^l

Herr Georges, Alfred RIGOLLOT
66, Avenue Henri-Martin
75 116 - PARIS/ FRANKREICH

"Verfahren und Anlage zur Einspeicherung und Rückgewinnung von Energie aus einem Speicher."

Die vorliegende Erfindung "betrifft allgemein ein Verfahren zur Einspeicherung und Rückgewinnung von Energie aus einem Speicher, demzufolge man zur Speicherung von Energie komprimierte Luft oder komprimiertes Gas in den Speicher eingibt und zur Rückgewinnung der in Form von komprimierter Luft oder komprimiertem Gas gespeicherten Energie die komprimierte Luft oder das komprimierte Gas in EntspannungsturMnen, z.B. in Strahlturbinen, Arbeit verrichten lässt. Die Erfindung hat ferner eine Anlage zur Ausführung dieses Verfahrens zum Gegenstand.

Anlagen ähnlicher Art sind bereits in den französischen Patentschriften N^p 1.555.607 und N° 71 05 195 beschrieben worden, die demselben Anmelder erteilt wurden.

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-Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren zur Einspeicherung und Rückgewinnung von Energie aus einem Speicher, in dem der Austausch sich in der bereits vorher genannten Weise vollzieht, wobei jedoch der Druck im wesentlichen konstant ist.

Die Arbeitsschritte zur Einspeicherung und Rückgewinnung der Energie in bzw. aus einem Speicher_? die insbesondere in den Anlagen zur Erzeugung elektrischer Energie angewendet werden, vollzogen sich bisher nicht unter konstantem Druck. Die Massnahme zur Energiespeicherung während der Stunden, in denen wenig Energie nachgefragt wird, bestand darin, dass die Luft auf einen mehr oder weniger hohen Druck in dem Speicher komprimiert wurde, was zur Folge hatte, dass die Kompressorgruppe unter veränderlicher Last arbeiten musste. Die Massnahme zur Rückgewinnung der Energie während der Spitzenstunden bestand darin, die komprimierte Luft sich entspannen zu lassen, um Entspannungsturbinen anzutreiben, die in dem-Masse, in dem sich der Speicher leerte, mit ständig sinkendem Wirkungsgrad arbeiteten und immer weniger Energie lieferten, da der Druck in dem Speicher sank. Im praktischen Betrieb wurde stets in dem Behälter ein Restdruck aufrecht erhalten, wodurch die Nutzkapazität des Speichers verringert wurde. Alle diese Schwierigkeiten könnten vermieden werden, wenn es gelänge, den Speicher unter konstantem Druck arbeiten zu lassen.

Aus diesen Erwägungen heraus dachte man daran, eine hydraulische Kompensierung vorzusehen, der "zufolge der Speicher mit einem Wasservorrat verbunden wird, der z.B. ein See sein kann, und über dem Speicher in einer Höhe liegt, die es möglich macht, dass der Druck der Wassersäule, die den See mit dem Speicher verbindet, dem gewünschten Höchstdruck des in dem Speicher befindlichen komprimierten Gases gleich ist. Eine derartige hydraulische Kompensierung bietet'die Vorteile, dass ihr Prinzip einfach ist , und ihre praktische Ausführung wenig kostspielig ist, da ein einfacher Kanal genügt, um See und Speicher miteinander zu verbinden. Leider ist diese theoretische

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Lösung in der Praxis nicht anwendbar, da sie den Nebeneffekt der Lösung der Luft in dem Wasser nicht berücksichtigt.

In der Tat, während die Energie zurückgewonnen wird, gelangt das in den Speicher eindringende Wasser mit der gespeicherten komprimierten Luft in Berührung und löst einen Teil dieser Luft. Bei Temperaturen in der Nähe von O⁰C löst ein Liter Wasser bis zu seiner Sättigung ungefähr 0,1 Liter Luft. Nimmt man an, dass das Wasser sich während dieser Phase der Energierückgewinnung mit Luft sättigt, wenn also der Speicher sich mit Wasser füllt, dann ist, wenn der Speicher mit Wasser gefüllt ist, der zehnte Teil der maximal in der Anlage speicherbaren Gesamtenergie in dem Wasser in Form von in diesem gelöster komprimierter Luft gespeichert. Bei der Einspeicherung von komprimierter Luft in den Speicher wird das sich in diesem befindliche lufthaltige Wasser in die Wassersäule gedrückt, die den Behälter mit dem See verbindet und entspannt sich während seines Aufstiegs. Diese Entspannung bewirkt die Entgasung des Wassers und die Freiwerdung der Energie, die im Wasser in Form von gelöster komprimierter Luft gespeichert war. Die Luftemulsion in dem Wasser, die am Fusse der Säule beginnt, wird in den oberen Bereichen immer stärker und führt in der Höhe des Sees zur Bildung eines Geysers. Berücksichtigt man die durch diesen Vorgang freiwerdende und unter einigen hundert Metern Wassersäule wirksame Energie, dann erkennt man, dass der Gedanke der hydraulischen Kompensierung fallen gelassen werden musste, da sie unter dieser Form ein schnelles Entleeren des in dem Speicher befindlichen Wassers herbeigeführt hätte, was zu einer ganzen Reihe unannehmbarer Nebeneffekte geführt hätte.

Die vorliegende Erfindung, die sich mit der Speicherung und Rückgewinnung von Energie aus einem Speicher befasst, hat ein Verfahren zum Gegenstand, das die vorgenannten Probleme löst. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Einspeicherung und Rücklieferung der unter im wesentlichen konstantem Druck stehenden komprimierten Luft oder des komprimierten Gases eine hydraulische Kompensierung des Speichers vorgesehen wird, indem

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man letzteren ständig mit einem Wasservorrat verbindet, dessen Volumen viel grosser ist als das des Speichers und der viel höher liegt, sodass der manostatische Druck der den Speicher und den Wasservorrat verbindenden Wassersäule ebenso gross ist wie der gewünschte Speicherdruck, und weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass man, um während der Energieeinspeicherung, wenn das in dem Speicher befindliche Wasser verdrängt wird, die durch Lösung der Luft oder des Gases in dem Wasser, das in den Speicher bei der vorangegangenen Energierückgewinnung eingedrungen war, gespeicherte Energie freizusetzen, ohne dass die Wassersäule durch das Entgasen oder das Entlüften des luft- oder gashaltigen, aus dem Speicher verdrängten Wassers aufgrund seiner Kompressionsverminderung während seines Aufstieges in den genannten Vorrat in Bewegung gesetzt wird, in bestimmten Höhen und wenigstens in der Nähe seines unteren Bereiches die mit Luft oder Gas durchsetzte, aus dem Speicher verdrängte Wassersäule mit einem Stronr nicht lufthaltigen Wassers aus dem genannten Vorrat verdünnt.

Erfindungsgemäss hat die Verdünnung die Wirkung, dass der relative Anteil der freiwerdenden Luft im Innern der Wassersäule vermindert wird, und dass die in dem lufthaltigen' Wasser gespeicherte Energie ausgenutzt wird, um in der Wassersäule einen sehr starken, nicht lufthaltigen aus dem-See kommenden Strom zu erzeugen. Die kinetische Energie, die der nicht lufthaltige Wasserstrom während seines Aufstieges von einigen hundert Metern aufnimmt, vermindert die in dem lufthaltigen Wasser gespeicherte Energie und bewirkt eine Selbstregulierung dieses Vorganges der Energieabführung. Dadurch werden insbesondere die Stösse vermieden, die sonst zu Beginn· der Rückgewinnung der gespeicherten Energie aufgetreten wären und die von der Inbewegungsetzung der Wassersäule in diesem Kreis hervorgerufen werden.

Die vorliegende Erfindung hat ferner eine Anlage zur Ausführung des genannten Verfahrens zum Gegenstand, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie einen Kanal besitzt, dessen unterer Teil mit dem genannten Speicher und dessen oberer Teil mit einem Wasservorrat in Verbindung steht, der ein im Vergleich zum Speicher

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sehr grosses Volumen besitzt und, z.B. ein See ist, der sich über dem Speicher in einer derartigen Höhe befindet, dass der Druck der Wassersäule in dem genannten Kanal den Druck der in dem Behälter gespeicherten Luft oder des darin gespeicherten Gases kompensiert, wobei eine Wasserführung Wasser aus dem See bis zum unteren Bereich des genannten Kanales heranführt und mit diesem wenigstens in dessen unterem Teil durch Mittel in Verbindung steht, die den Wassereintritt aus der genannten Wasserführung in den genannten Kanal gestatten.

Die Ausführung dieser Anlage ist äusserst einfach, da sie lediglich zwei Kanäle benutzt, die vorteilhafterweise konzentrisch sein können. Zum Beispiel kann ein Kanal von dem Schacht, der zum Bau des Speichers diente,und der andere von einem Rohr geringen Durchmessers,gebildet werden. Die Einwegventilklappen können herkömmlicher Art sein und im Handel zu niedrigem Preis erworben werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.

In den Zeichnungen ist :

- Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Anlage ;

- Figo 2 zeigt schematisch die Arbeitsweise der Einwegvorrichtung ;

- Fig. 3 stellt ein Ausführungsbeispiel einer Einrichtungsventilklappe dar, die in der erfindungsgemässen ,in den Figuren 1 und 2 dargestellten Anlage, verwendet werden kann.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt die Anlage einen unterirdischen Speicher 10, der durch ein Rohr 12 mit einer Energieerzeugungseinheit verbunden ist, die einen Kompressor 14,

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der von einem Motor 16 angetrieben wird, und eine Turbine 18 umfasst, die einen Wechselstromgenerator antreibt, der im dargestellten Beispiel gleichfalls vom Motor 16 gebildet wird.

Der Speicher 10 ist andererseits durch einen Kanal 20 mit einem See 22 verbunden. Dieser Kanal 20 verläuft in einem Schacht 24, der zum Bau des Behälters 10 hergestellt wurde. Der Speicher steht mit diesem durch einen Zugangstunnel 26 in Verbindung, ist jedoch durch den dichten Verschluss 28 von diesem getrennt. Der Kanal 20 und der Schacht 24 münden oben in den See 22.

Es ist zu vermerken, dass zum besseren Verständnis der Zeichnungen der Querschnitt des Kanales 20, bezogen auf die Abmasse des Schachtes 24, stark vergrössert dargestellt ist, und dass letzterer wiederum, bezogen auf die Abmasse des Behälters, vergrössert wurde.

Der Kanal 20 besitzt in seinem unteren Bereich eine Ein— wegvorrichtung 30, deren Wirkungsweise in der Fig. 2 gezeigt wird, und von der in der Fig. 3 eine mögliche Ausführungsart gezeigt wird.

Die Fig. 2 ist ein schematischer Schnitt durch den Schacht 24 in Höhe der Vorrichtung 30 und deutet durch mit geradzahligen Ziffern versehene Pfeile die Arbeitsweise dieser Vorrichtung, die an die Wände des Kanales 20 angebaut wurde, an. Das aus dem Speicher 10 verdrängte Wasser beginnt in Höhe der Vorrichtung bei dem Aufstieg in dem Kanal 20, wie der Pfe;Ll 21 zeigt, Gas freizusetzen. In dieser Höhe bewirkt der Druckunterschied, der zwischen der Wassersäule im Inneren des Kanales 20 und der Wassersäule zwischen dem Kanal 20 und dem Schacht 24 besteht und von dem Dichteunterschied des leichteren, lufthaltigen Wassers in dem Kanal und. des nicht lufthaltigen aus dem See stammenden Wassers herrührt, stellt eine Kraft dar, die in der Richtung des Pfeiles 25 auf die Flügel 32 der Vorrichtung 30 wirkt. Die Flügel öffnen sich proportional mit dieser Kraft 25 und ein Strom nicht lufthaltigen Wassers 23 dringt in den Kanal wegen des genannten

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Druckunterschied.es ein. Dieser Wasserstrom ist umso grosser, je grosser der Strom des lufthaltigen Wassers ist, sodass eine Selbstregulierung dieses Vorganges eintritt.

Zur Ausführung dieser Vorrichtung kann ein Eihwegklappenventil der in der Fig. 3 dargestellten Art verwendet werden, wenn der Kanal 20 wenigstens in dieser Höhe einen rechteckigen Querschnitt "besitzt. Dieses Klappenventil 30 besteht aus Flügeln 32, die schwenkbar auf Lagerlaschen ~5k- gelagert sind, die am oberen Bereich der Offnungen an den Wänden des Kanales angebracht sind. Es können jedoch auch andere Arten von Ventilklappen vorgesehen werden.

So kann z.B. die Einwegventilklappe weggelassen werden, sodass nur die Offnungen bleiben_s und gegebenenfalls, wenn notwendig, die Form des Kanales in dieser Höhe geändert werden. Man kann z.B. einen Trichter vorsehen , dessen grosse Basis nach unten weist,und der das luftdurchsetzte Wasser bei dessen Aufstieg in den unteren Kanal leitet.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. )- Verfahren zur Speicherung und. Rückgewinnung von Energie aus einem Speicher, demzufolge man zur Speicherung von Energie komprimierte Luft oder komprimiertes Gas in den Speicher eingibt und zur Rückgewinnung der in Form von komprimierter Luft oder komprimiertem Gas gespeicherten Energie die komprimierte Luft oder das komprimierte Gas z.B. in Entspannungsturbinen oder Strahlturbinen Arbeit verrichten lässt, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einspeicherung und Rücklieferung der unter im wesentlichen konstantem Druck stehenden komprimierten Luft oder des komprimierten Gases eine hydraulische Kompensierung des Speichers (10) vorgesehen wird, indem man letzteren ständig mit einem Wasservorrat (22) verbindet, dessen Volumen viel grosser ist als das des Speichers und der viel höher liegt, sodass der inanostatische Druck, der den Speicher (10) und den Wasservorrat (22) verbindenden Wassersäule,ebenso gross ist wie der gewünschte Speicherdruck, und weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass, um während der Energiespeicherung, wenn das in dem Speicher (10) befindliche Wasser verdrängt wird, die durch Lösung der Luft oder des Gases in dem Wasser, das in den Speicher (10) bei der vorangegangenen Energierückgewinnung eingedrungen war<, gespeicherte Energie freizusetzen <, ohne dass die Wassersäule durch das Entgasen oder Entlüften des luft- oder gashaltigen,, aus dem Speicher (10) verdrängten Wassers aufgrund der Kompressionsverminderung dieses Wassers während seines Aufstieges in dem genannten Vorrat (22) in Bewegung gesetzt wird_s man in bestimmten Höhen und wenigstens in der Nähe seines unteren Bereiches die mit Luft oder Gas durchsetzte aus dem Speicher verdrängte Wassersäule mit einem Strom (23) nicht lufthaltigen Wassers-aus dem genannten Wasservorrat (22) verdünnt ο " -

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2. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Verdünnung durch das nicht lufthaltige Wasser wenigstens im wesentlichen in Höhe des unteren Drittels der genannten Wassersäule vorgenommen.wird.

3. - Anlage zur Einspeicherung und Rückgewinnung von Energie,

insbesondere zur Ausführung des in den Ansprüchen 1 und 2 beschriebenen Verfahrens mit wenigstens einem Speicher für komprimierte Luft oder für komprimiertes Gas, einer Kompressorgruppe, die durch ein Rohr für die Luft oder für das Gas in den genannten Speicher liefert, und mit Entspannungsturbinen oder Strahlturbinen,die mit dem genannten Rohr in Verbindung stehen und wenigstens zum Teil von der aus dem Speicher herkommenden Luft oder dem aus ihm kommenden Gas angetrieben werden können, dadurch gekennzeichnet , dass sie einen Kanal (20) besitzt, dessen unterer Teil mit dem genannten Speicher (10) und dessen oberer Teil mit einem Wasservorrat (22) in Verbindung steht, der z.B. ein See ist und sich über dem Speicher (10) in einer solchen Höhe befindet, dass der Druck der Wassersäule in dem Kanal (20) im wesentlichen den Druck der in dem Speicher (10) gelagerten Luft oder des in ihm gelagerten Gases kompensiert, wobei eine Wasserführung (23) Wasser aus dem See (22) an den unteren Teil des genannten Kanales (20) heranführt und mit diesem wenigstens in seinem unteren Bereich durch Mittel (30) in Verbindung steht, die den Eintritt des Wassers aus der genannten Wasserführung (23) in den genannten Kanal (20) gestatten.

4. - Anlage nach Anspruch 3,dadurch gekennzeichnet , dass wenigstens der grössere Teil des Kanales (20) im Inneren der genannten Wasserführung (23) angeordnet ist.

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5. - Anlage nach einem der Ansprüche 3 oder ^dadurch

gekennzeichnet , dass die genannten Mittel (30), die den Eintritt des Wassers aus der genannten Wasserführung (23) in den genannten Kanal (20) gestatten, Einwegmittel wie z.B. Einwegklappenventile sind.

6. — Anlage nach einem der Ansprüche 3 bis 5, d a d u r c h

gekennzeichnet, dass die genannten Mittel (30) die den Eintritt des Wassers aus der genannten Wasserführung (23) in. den genannten Kanal (20) gestatten, an dem genannten Kanal (20) angebracht sind»

7« - Anlage nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet ,. dass die Mittel (30), die den Eintritt des Wassers aus der genannten Wasserführung (23) in den genannten Kanal (2,0) gestatten, wenigstens im Bereich des unteren Drittels der genannten Wassersäule vorgesehen sind.

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