DE2900122A1

DE2900122A1 - Gleichdruck-luftspeicherkraftwerk

Info

Publication number: DE2900122A1
Application number: DE19792900122
Authority: DE
Inventors: Otto Dipl Ing Hartmann
Original assignee: MOTOR COLUMBUS ING
Current assignee: MOTOR COLUMBUS ING
Priority date: 1978-01-06
Filing date: 1979-01-03
Publication date: 1979-07-26
Also published as: GB2013318A; JPS54133211A; DK3179A; NL7900100A

Description

Eotor_Columbus Ingenieurunternehmung AG 5401 Baden / Schweiz

GIeichdruck-LuftSpeicherkraftwerk

Druckluft-Speicherkraftwerke sind, eine Teuentwicklung, bei der das Prinzip Energiespeicherung analog zu Pumpspeicherwerken - auf den Γ-asturbinenprozeß angewendet wird:

Die Gasturbine und der zugehörige Verdichter werden nicht gleichzeitig betrieben, sondern abwechselnd. Während der Schwachlastzeiten fördert der Verdichter Druckluft in einen geeigneten Speicher, dem die Luft dann für den Turbinenbetrieb entnommen wird. Da die Gasturbine nun nicht mehr den Verdichter anzutreiben braucht, steht die ganze Turbinenleistung als Nutzleistung zur Verfügung, rund dreimal soviel wie beim normalen Gasturbinenprozeß.

Von der Funktion des Speichers her sind zwei Speichertypen zu unterscheiden:

a) Speicher mit variablem Druck (Gleichraumspeicher).

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Dies ist die einfachste Speicherform. Sie· besteht lediglich aus einem druckfesten Hohlraum,in dem beim Pullen die Luft komprimiert wird. Der Druck steigt bis zum zulässigen Speicherdruck P . Beim Entleeren sinkt der Druck im Behälter wieder ab bis zum minimalen Speicherdruck ?_,„.

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b) Speicher mit konstantem Druck (Gleichdruckspeicher), Der konstante Druck im Behälter wird durch Druckwasser hergestellt. Bei Entnahme von Luft strömt die entsprechende V/assermenge in den Behälter, beim Pullen verdrängt die Luft das Wasser. Ss ist neben dem Luftbehälter ein Wasserreservoir erforderlich, welches in einer dem hydrostatischen Druck entsprechenden Höhe angeordnet und durch eine Rohrleitung mit dem Luftbehälter verbunden sein muß.

Dem Typ mit variablem Druck kann nur ein Teil der gespeicherten Luft entnommen werden, da der minimale Betriebsdruck für die Gasturbine vorgegeben ist. Beim Speicher mit konstantem Druck kann dagegen theoretisch die Luftmenge entsprechend dem ganzen Behältervolumen genutzt v/erden. Dies hat zur Folge, daß der erforderliche Speicherraum bei vorgegebener Gesamtenergie beim Typ mit variablem Druck beinähe dreimal so groß sein muß wie beim Typ mit konstantem Druck.

Der Typ mit variablem Druck zeigt aber noch weitere Nachteile: Um an der Turbine gleichir.äßige Betriebsverhältnisse zu haben, wird inmer mit dem minimalen Speicherdruck P_au gefahren. Der jeweilige Speicherdruck wird vor der Brennkammer auf P gedrosselt.

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Dies bedeutet einen" Energieverlust. Ferner tritt bei diesem Typ, da die Luft im Speicher komprimiert und wieder entspannt λνϊ^, abwechselnd eine Srwär-

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rnung bzw. Abkühlung der luft und der Speiche.rwand auf. Die Temperaturschwankung beträgt bei entsprechender Rückkühlung der Luft ca. 80⁰G und bleibt somit in relativ bescheidenen Grenzen. Trotzdem stellt sie eine zusätzliche Belastung für die Speicherkonstruktion dar.

Die bisher einzig bekannte Realisierung eines Luftspeicherwerkes benützt zwar das Gleichraurn-Speichersystem, jedoch wurden dort die Speicherräurne durch Auslaugen von Salzstöcken erstellt. Damit können große Speichervolumina relativ billig geschaffen werden, vorausgesetzt natürlich, daß geeignete Salzstöcke vorhanden sind, was nur für bestimmte G-ebiete (z. 3. die Norddeutsche Küstenebene) zutrifft. Eine weitere liöglichkeit bietet das Einpressen der Luft in eine poröse Gesteinsschicht, eine Ketliode, die zur Speicherung von Erdgas benutzt wird. Auch hier aber müssen ganz bestimmte geologische Verhältnisse vorliegen. Zudem scheinen für diese I.Iethode noch die wenigsten gesicherten Kenntnisse vorzuliegen.

Geeignetsr Fels für bergmännisch ausgebrochene Felskavernen dürfte generell weit verbreitet sein, weshalb diese Speicherart nach wie vor großes Interesse findet, 'wegen der erwähnten im Verhältnis 1 : höheren Energiedichte befassen sich alle bekannten Untersuchungen betreffend Pelskavernen mit dem Gleichdruckspeicherprinzip, und zwar mit hydrostatischer Wasservorlage.

Für jedes Speichersystem ist dessen Snergieinhalt je Volumeneinheit dem Speicherdruck proportional. Um bei sonst gleichen Bedingungen das erforderliche Speichervolumen zu verringern, besteht deshalb ein grundsätzliches Interesse, den "Druck zu steigern.

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Beim System "Gleichdruckspeicher" mit hydrostatischer Y/asservorlage ist nun der Speicherdruck durch die Höhendifferenz zwischen den Speicherkavernen und dem oberen Ausgleichsbecken gegeben. Eine Erhöhung des Speicherdrucks bedingt hier also eine entsprechende Tieferlegung der Speicherkavernen. Dies ist mit folgenden Nachteilen verbunden:

a) Die erforderlichen Ve.rtikalschächte sind in ihrer länge und damit in ihrem Volumen direkt proportional der Teufe. Wegen der mit zunehmender Teufe zunehmenden Transportwege, der größeren Sicherheitsmaßnahmen, dem größeren Aufwand für die Wasserhaltung (um nur die wichtigsten Einflüsse su nennen), steigen die Kosten für die Schächte überproportional mit der Teufe an.

Analog nehmen

b) mit zunehmender Teufe auch die Erstellungskosten je Volumeneinheit der Speicher zu.

c) Die Bauzeit wird wesentlich durch den Zeitaufwand für die Schachtabteufung beeinflußt - sie nimmt in erster Näherung linear mit der Teufe zu. Lange Bauzeit ist an sich schon ein Nachteil.

d) Mit der Bauzeit nehmen aber auch die Aufwendungen für die Bauzinsen zu und werden bei Bauzeiten von 5 Jahren und mehr zu einem wesentlichen Kostenfaktor.

e) Trotz eingehender Voruntersuchungen, deren Kostenund-Zeitaufwand ebenfalls mit zunehmender Teufe ansteigen, bleibt bei Untertagearbeiten iirjner eine Unsicherheit, ob die vor Ort schließlich angetroffenen Verhältnisse den Annahmen entsprechen. Daraus entsteht ein Hisiko, große Aufwendungen

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für tiefe Schächte zu machen und dann Felsverhältnisse vorzufinden, welche die Ausführung der Speicherkavernen nur mit Zusatzkosten oder im schlimmsten Pall gar nicht erlauben.

Es stellt sich nach diesen einführenden Betrachtungen die. Aufgabe der Schaffung eines Gleichdruck-Luftspeicherkraftwerkes, welches ohne die Nachteile sehr tief angeordneter Speicherkavernen mit hohen, in Grenzen wählbaren Speicherdrücken arbeitet, um einen gleichmäßigen Betrieb der Gasturbinen, kleine Speichervolumina und eine bauseits billige Anlage zu erhalten.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß bei einem Gleichdruck-LufiJspeicherkraftv/erk mindestens ein Kavernendruckluftspeicher mit iiiindestens einer druckerzeugenden Pumpe und r.indestens einer die Pumpe speisenden V/asservorlage vorgesehen ist.

Der Speicherdruck ist infolgedessen nicht mehr allein von der Tiefenlage der Kavernen abhängig, sondern wird durch Pumpen auf den gewünschten Yi'ert gebracht. Die Tiefenlage kann sich nach den Felsverhältnissen richten, unter Berücksichtigung einer Mindest-Überdeckung. Da die Kavernen vereinzelte Hohlräume im Grundgebirge darstellen, kann bei der Ermittlung der Auflast mit einem kegel- bzw. keilförmigen Felskörper gerechnet v/erden, jedenfalls mit einer größeren Auflast als nur dem lotrecht über dem Kavernenquerschnitt liegenden Felskörper.

Die (in Grenzen) gegebene Unabhängigkeit in der Wahl des Betriebsdruckes ist auch deshalb von Vorteil, weil von der Maschinenseite her ein verständ-

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liches Interesse besteht, mit einheitlichen, tunlichst normierten Arbeitsdrücken zu arbeiten. Beim System mit hydrostatischer Y/asservorlage führt dies zur Forderung nach einheitlicher Tiefenlage der Speicher, v/as sich für verschiedene Qrtlichkeiten nicht ohne weiteres verwirklichen läßt.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Gleichdruck-Luft Speicherkraftwerkes gemäß der Erfindung besteht darin, daß eine als Turbine verwendbare Pumpe vorgesehen ist. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, daß beim Pullen der Kavernen mit Druckluft und der dadurch hervorgerufenen Verdrängung des Wassers und seine Rückführung in das dabei vorgesehene Wasserreservoir oder dergleichen die Pumpe als Turbine arbeitet. Dadurch wird die Wirtschaftlichkeit erhöht.

Die Nachteile des Systems mit gepumpter Y.'asservorlage liegen in folgenden Punkten:

f) Der leistungsbedarf der Pumpen verringert .die Fettöle istung der Anlage um ca. 5 bis 12 fj, je nach hydrostatischem Anteil an der Druckerzeugung.

g) Der Energieaufwand für das Pumpen wird zu eal 70 fo beim Aufladen des Speichers mit Druckluft zurückgewonnen, indem die Pumpen dann - reversibel als Turbinen betrieben werden. Der Energieverlust beträgt somit 2 bis 3 £ der Erzeugung.

Die Erfindung wird anschließend beispielsweise anhand einer Zeichnung erläutert. Is zeigen rein schematisch:

Pig. 1 eine bekannte Speicheranordnung mit variablem Druck (G-Ie ichraumspe icher),

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Fig. 2 eine "bekannte Anordnung rät konstantem Druck (Gleichdruckspeicher),

Fig. 3 eine Gleichdruekanlage mit Druckerhöhungspumpe im Flachland,

Fig. 4- eine Anlage analog derjenigen nach Pig. 3 in einem Flußtal.

In den Figuren 1 und 2 ist Pels 1 dargestellt. Fig. zeigt ferner eine Felskaverne 3_? welche mit einer Druckgasbohrung 4 ausgerüstet ist, die über ein Absperrventil 6 zu einer Gasturbinenanlage (nicht dargestellt) führt. Das Volumen der Pelskaverne 3 ist konstant, so daß während des Betriebes der Gasturbinenanlage der Druck der Luft in der Pelskaverne abnimmt, da sich die Kaverne 3 entleert.

Im Gegensatz zu diesem bekannten Gleichraunsystem steht das in Fig. 2 dargestellte bekannte "leichdrucksystem, bei welchem eins Felskaverne 8 im Fels 1 über eine Druckgasbohrung 4 und ein Absperrventil β mit der Gasturbinenanlage in 7erbindung steht. Zusätzlich ist hier aber ein mit Wasser"gefülltes Staubecken 10 sowie ein Y^rass er schacht 11 vorgesehen, welcher das Staubecken 10 rat der·Felskaverne 8 verbindet. Daher steht die Luft im Luftvolumen 14 der Felskaverne 8 unter entsprechendem hydrostatischem Druck H, der praktisch konstant bleibt, so daß der für die Gasturbinenanlage zur Verfügung stellende Druck der Verbrennungsluft konstant ist. Kit abnehmender luftmenge in der Pelskaverne 8 steigt der Y/asserspiegel 12 der V/asservorlage.

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Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemaße Gleichdruckanlage,

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wie sie beispielsweise im Flachland ausführbar ist. Im Erdreich 20 ist wiederum eine Kaverne'8 vorgesehen, welche über eine Druckgasbohrung 4 und ein Absperrventil 6 mit der·Gasturbinenanlage (nicht dargestellt) verbunden ist. Ein Staubecken 22 ist über einen Wasserschacht 23 mit der Kaverne 8 verbunden, wobei unmittelbar nach dem Staubecken 22 eine in einem'Pumpenhaus 24- angeordnete Wasserpumpe 26 vorgesehen ist, an deren Druckstutzen sich ein Abschlußventil 27 befindet. Durch Anordnung dieser Wasserpumpe 26 kann der Druck in der Kaverne 8 um den Druck der Pumpe erhöht werden, so daß der Gesamtdruck in der Kaverne 8 diesem Pumpendruck entspricht, zu welchem sieh die hydrostatische .Höhe H addiert. Beim Füllen der Kaverne 8 mit Druckluft wird das Wasser aus dieser verdrängt und gelangt in umgekehrter Richtung durch den '.'asserschacht 23 zurück ins Staubecken 22, wobei die Pumpe 26 als Turbine arbeiten kann.

Soll eine derartige G-leichdruckanlage in einen Flußtal gebaut werden, so kann das Aufstellen der entsprechenden Anlageteile in der in Fig. 4 gezeigten · Form erfolgen. Hier sind im Erdreich 30 zwei Druckbehälter -34 und 35 vorgesehen, welche über eine gemeinsame Druckluftleitung 32 und ein Absperrventil β mit der Gasturbinenanlage (nicht dargestellt) verbunden sind. Der Fluß 37 ist über einen Ansaugschacht 38 mit einer Wasserpumpe 41 in einer Pumpenkaverne 40 verbunden, von der über ein Äbschlußventil eine Druckwasserleitung 43 in die beiden Druckgasbehälter 34 und 35 führt. Der Wasserspiegel in den Behältern 34 und 35 ist mit 36 bezeichnet und liegt im gezeichneten Beispiel etwa auf gleicher Höhe wie der Fluß-Wasserspiegel. Als Betriebsdruck herrscht dann ein Luftdruck, der ungefähr der Pumpen-

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förderhöhe entspricht.

Bei geeigneter Führung der Druckluftleitung 32 kann die Aufstellung der Gasturbinenanlage "beliebig den örtlichen Verhältnissen angepaßt werden, z. B. am Flußufer oder in einer Kaverne in Verbindung mit der Pumpenkaverne 4-0 liegen.

die in Pig. 3 und 4 beispielsweise dargestellte Anordnung mit "gepumpter Wasservorlage" ist eine aussichtsreiche Alternative zur bisher bekannten Gleichdruck-Speicherlösung mit hydrostatischer -.Tasservorlage.

Die Baukosten werden unter sonst gleichen Bedingungen reduziert, jedoch geht der Kostenvorteil infolge der um die Pumpenleistung reduzierten Kraftwerksleistung wieder verloren. Unter Umständen bleibt ein geringer Kostennachteil. Die Kostendifferenzen dürften aber sehr gering sein, geringer als die Einflüsse der jeweiligen Auslegung dsr Anlage sowie die örtlichen Verhältnisse (besonders des Untergrundes).

Es bleiben grundsätzliche Vorteile, die vor allem in der praktischen Bauausführung liegen:

- Freizügigkeit in der Wahl der Höhenlage der Speicherkaverne bei vorgegebenem einheitlichem Betriebsdruck,

- Geringe Vorinvestition in Schächte,

- Erleichterung der Bauausführung, geringeres Risiko,

- Verkürzte Bauzeit.

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Claims

•-..οιor-Columbus Ingenieurunternehmung AG 54c1 Baden / Schweiz

Patentansprüche

G-Ie ichdruck-luftspeicherkraftv/erk, gekennzeichnet durch mindestens einen Kavernendurckluftspeicher mit mindestens einer druckerzeugenden Pumpe und mindestens einer die Pumpe speisenden Vasservorlage. . ·

2« Kraftwerk nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch' eine als Turbine verwendbare Pumpe.

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