DE3020213C2

DE3020213C2 - Vorrichtung zur Speicherung von Energie unter Ausnutzung der unterschiedlichen Dichte von Substanzen, z.B. für Luftspeicherkraftwerke oder für hydraulische Kraftwerke

Info

Publication number: DE3020213C2
Application number: DE19803020213
Authority: DE
Inventors: Paul Prof. Dr.-Ing. 6791 Queidersbach Weiß
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-05-28
Filing date: 1980-05-28
Publication date: 1985-05-02
Also published as: DE3020213A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Speicherung von Energie mit Hilfe der Auftriebskraft resultierend aus der unterschiedlichen Dichte zweier oder mehrerer flüssiger oder gasförmiger Substanzen nach dem Prinzip des Gleichdruckspeichers mit einem Hohlraum variablen Volumens für die Substanz geringerer Dichte. Sie ist sowohl für Luftspeicherkraftwerke unter Einbringung von Gasen in Flüssigkeiten wie auch für hydraulische Speicherkraftwerke unter Einbringung von Flüssigkeiten niedrigerer Dichte in Flüssigkeiten höherer Dichte anwendbar. Die Erfindung hat das besondere Merkmal, daß zwischen Speichervolumen einerseits und Kraftwerk bzw. Erdoberfläche andererseits eine einzige Einrohrverbindung besteht.

Bekanntlich unterliegt der Verbrauch elektrischer Energie starken tages- und jahreszeitlichen Schwankungen. Da diese Verbrauchskurven von einem meist nicht direkt beeinflußbaren Verbraucherverhalten bestimmt werden, müssen die Elektrizitätsversorgungsunternehmen mit ihrer Stromerzeugung unmittelbar den jeweiligen Verbraucherwünschen folgen. Hierbei hat es sich als wirtschaftlich und technisch zweckmäßig erwiesen, für den Spitzenbedarf und als schnell mobilisierbare Reserve für den Störungsfall Speicherkraftwerke zu bauen, die in Schwachlastzeiten Energie aus dem Versorgungsnetz entnehmen und in Spitzenlastzeiten in dieses zurückspeisen.

Es ist seit Jahrzehnten grundsätzlich bekannt und vielfach ausgeführt, zu diesem Zweck hydraulische

Pumpspeicherkraftwerke einzusetzen, bei denen in Schwachlastzeiten Wasser aus einem Tiefspeicher in einen Hochspeicher gepumpt wird, das in Spitzenlastzeiten über eine Turbine zurückfließt Physikalisch gesehen wird dabei beim Speichervorgang eine Substanz mit höherer Dichte (Wasser) in einer Substanz mit niedrigerer Dichte (Luft) entgegen der Erdanziehung nach oben transportiert Es wird also die Schwerkraft genutzt

Es ist auch bekannt geworden, Druckluft in Schwachlastzeiten zu speichern und damit unter Einsatz von flüs- ι ο sigen oder gasförmigen Brennstoffen in Spitzenlastzeiten eine Gasturbine zu speisen, die wegen Wegfall der Verdichterleistung eine um den Faktor drei höhere Leistung an den Generator abgibt In der deutschen Patentschrift 15 33 813 wird die Speicherung von Druckluft bei einer Kombination von Gleichdruckspeicher und Aufladespeicher beschrieben, wobei in einem unterirdischen Hohlraum Wasser verdrängt wird und im Gleichdruckbereich die Druckerzeugung durch eine Wassersäule erfolgt die im Aufladebetrieb abgesperrt wird.

Es ist ferner bekannt geworden, Druckluft in einem unterirdischen Druckspeicher zu speichern, df? als reiner Gleitdruckspeicher arbeitet Wie in den BBC-Nachrichten 61 (1979) H. 4, S. 121-125 beschrieben, arbeitet ein in Betrieb befindliches Luftspeicher-Gasturbinen-Kraftwerk mit Speicherung von Druckluft in einem ausgesolten unterirdischen Salzstock, womit eine Aufladespeicherung (hier als Gleitdruckspeicherung bezeichnet) vorliegt obwohl für den Gasturbinenbetneb eine Gleichdruckspeicherung (auch als Konstant- oder Festdruckspeicherung bezeichnet) in den BBC-Nachrichten 57 (1975) H. 7, S. 401 -406 als vorteilhafter beschrieben wird.

Mit der US-PS 35 38 340 ist des weiteren ein Gleichdruckspeicher bekannt geworden, dessen besonderes Merkmal eine zweirohrige, nämlich aus zwei koaxialen Rohren bestehende Verbindung zwischen Speichervolumen und Erdoberfläche ist

Ein Gleichdruckspeicher wird auch im Tagungsband der ersten mlernationalen Tagung »Energy Storage« (1979) auf Seite 474 beschrieben. Auch dort wird eine Zweirohrverbindung zur Erdoberfläche benötigt

In einer Vielzahl von Vorschlägen (z. B. die deutschen Patentschriften 20 63 244, 21 50 027, 22 43 369, 22 62 304, 23 11 039, 24 17 908, 26 28 870, 27 55 603) werden Lösungen für die Speicherung von brennbaren Flüssigkeiten, vorwiegend unter Wasser, angegeben, wobei der Hauptzweck die Zwischenlagerung oder Bevorratung ist, aber eine Ausnutzung der unerwünschten Antriebskraft nicht abgesii-ebt wird. Vielmehr werden Maßnahmen angegeben, um sie unwirksam zu machen.

Der Stanc! der Technik weist eine Reihe schwerwiegender Nachteile auf.

Hydraulische Pumpspeicherwerke sind bisher nur an wenigen Standorten mit ausreichenden Höhenunterschieden möglich und erfordern hohe Anlagekosten.

Druckluftspeicherkraftwerke weisen in der Ausführung mit Aufladespeicher den Nachteil auf, daß der Eintrittsdruck der Gasturbine konstant sein soll und deshalb erhebliche Drosselverluste unvermeidbar sind. Außerdem ist das benötigte Speichervolumen wesentlich größer als bei einem Gleichdruckspeicher. Die Aussolung eines unterirdischen Salzstockes ist ein kosten- und zeitintensiver Vorgang und nur an wenigen Standorten mit besonderen geologischen Verhältnissen möglich. Außerdem verringert sich das Volumen dieses Speichers infolge der Elastizität des Salzstockes im Laufe der Zeit.

Für einen Gleichdruckspeicher mit Druckerzeugung durch eine Wassersäule muß ein großer unterirdischer Speicherraum bergmännisch ausgebaut und abgedichtet und zusätzlich ein oberirdischer Wasserspeicher angelegt v/erden.

Unterirdische Gleichdruckspeicher erfordern des weiteren zwei neben- oder ineinander angeordnete Verbindungsrohre zur Erdoberfläche und ein Vorratsvolumen für Wasser zu Verdrängungszwecken auf der Erdoberfläche.

Die Verwendung oberirdischer Druckbehälter scheidet aus Kostengründen von vornherein aus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Speicherung von Energie zu finden, die kostengünstig an vielen Standorten als Gleichdruckspeicherung möglich ist Dabei soll eine einzige Rohrverbindung zwischen dem Speicher und der Erdoberfläche genügen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß eine flüssige oder gasförmige Sf^tanz geringerer Dichte in eine in großer Menge vorhandene flüssige Substanz höherer Dichte eingebracht wird und die daraus resultierende Auftriebskraft zur Speicherung von Energie verwendet wird. Die Energie ist dann in Form der Auftriebskraft gespeichert und kann unter Ausnutzung der Auftriebskraft in der gewünschten Weise freigesetzt werden.

Hierzu kann ein Hohlraum mit variablem Volumen aus einem geschlossenen elastischen Behälter bestehen, der innerhalb der Substanz mit der höheren Dichte festgehalten wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Substanz mit der geringeren Dichte dabei in einem elastischen Behälter nach Art einer Gummiblase oder eines Fesselballons auf dem Grund oder in größerer Tiefe der Substanz mit der größeren Dichte festgehalten, wobei eine Verankerung erforderlich ist. Es ist aber auch möglich, durch eine auf Säulen auf dem Grund der Substanz mit der höheren Dichte stehende Betonplatte, die zusätzlich beschwert sein kann, die Auftriebskraft des elastisc'.en Behälters abzufangen.

In einer anderen Ausführungsform wird ein halboffener Behälter ähnlich einer Taucherglocke auf dem Grund der Substanz mit der höheren Dichte angeordnet Er kann zusätzlich beschwert sein, zum Beispiel durch Aufschüttung mit Kies. Der Behälter kann je nach Speicherzustand mit unterschiedlichen Anteilen der beiden Medien gefüllt sein.

Eine weitere Ausführungsform verwendet einen natürlichen oder künstlichen seitlichen Hohlraum ähnlich einer Unterwasser-Hohle.

Zur Vermeidung von Durchmischungen, In-Lösunggehen oder Verdampfen kann die jeweilige Trennfläche zwischen den verschiedenen Substanzen durch eine flüssige Zwischenschicht, z. B. Öl durch Einbringen eiiie^r Folie verbessert werden. Diese Folie kann auch so ausgeführt sein, daß sie die Substanz mit der niedrigeren Dichte ganz umschließt.

Die Energiespeicherung mit Hilfe der Auftriebskraft kann mit Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte oder mit einer Kombination von Flüssigkeit und Gas geschehen.

In der Ausführungsform, die den Auftrieb bei Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte nutzt, kann als Flüssigkeit mit der höheren Dichte normales Wasser benutzt werden. Die im Pump- und Turbinenbetrieb des hydraulischen Kraftwerks arbeitende Flüssigkeit muß dann niedrigere Dichte aufweisen und kann zum Beispiel

Rohöl oder eines seiner Derivate sein, die ohnehin in größerem Umfang im Rahmen der gängigen Bevorratungen gelagert werden.

Die Substanz mit der höheren Dichte kann aber auch das Salzwasser der Weltmeere oder das mit Salz stärker angereicherte Wasser von Binnenmeeren (z. B. Totes Meer, Kaspisches Meer, Schwarzes Meer) sein. Die Substanz mit der niedrigeren Dichte kann dann normales Süßwasser oder Rohöl bzw. eines seiner Derivate ssi.i.

In der Ausführung, die den Auftrieb von Gasen in Flüssigkeiten nutzt, kann als Substanz mit der höheren Dichte praktisch jede beliebige Flüssigkeit verwendet werden. Bevorzugt kommt Süß- oder Salzwasser zur Anwendung, aber auch Rohöl oder eines seiner Derivate ist möglich.

Das Gas kann im verbrennungslosen Betrieb eine Luftturbine antreiben und muß dann, wenn es sich nicht um normale Luft oder ein in groüen Mengen billig zu beziehendes Gas handelt, nach dem Durchgang durch die Turbine für die Wiederverwendung drucklos gespeichert werden.

Wenn das Gas in der Flüssigkeit nicht oder nur schwer löslich ist, kann auf besondere Maßnahmen zur Absperrung der Trennschicht, wie sie oben beschrieben wurden, verzichtet werden.

Vorteilhafterweise wird als Substanz mit der niedrigeren Dichte normale Luft verwendet.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird diese gespeicherte Drucklui; für den verdichterlosen Betrieb einer Verbrennungs-Gasturbine verwendet, wodurch diese Gasturbine gegenüber einer solchen mit Verdichter etwa die dreifache Leistung an den Generator abgibt. Die Speicherung der Druckluft in der Flüssigkeit erfolgt in Schwachlastzeiten des elektrischen Netzes mittels eines Verdichters. Ein solches Luftspeicherkraftwerk wird

vvii icmiaiici ncisc an ucicii Liiiiiiciiaccil liuci an oicilnusten errichtet

Der erfindungsgemäße Vorteil besteht darin, daß für hydraulische Speicherkraftwerke und für Luftspeicherkraftwerke eine Vielzahl kostengünstiger Standortmöglichkeiten erschlossen wird. Die Zwischenlagerung und Bevorratung mit Rohöl und dessen Derivaten, insbesondere Heizöl, erfordert ohnehin größere Speichervolumina, so daß diese Vorratsmengen bei Speicherung unter Wasser vorteilhaft für ein hydraulisches Speicherkraftwerk eingesetzt werden können.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen erläutert Es zeigen als Beispiele für verschiedene Ausführungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung:

F i g. 1 einen elastischen Behälter, auf dem Grund eines Sees verankert;

F i g. 2 einen elastischen Behälter, der durch eine auf Säulen stehende, zusätzlich beschwerte Betonplatte am Aufschwimmen gehindert wird;

Fig.3 einen unten offenen Behälter ähnlich einer Taucherglocke, gegen Aufschwimmen durch zusätzliche Beschwerung gehindert; er kann mit unterschiedlichen Anteilen der beiden Medien gefüllt sein;

Fig.4 einen Hohlraum ähnlich einer Unterwasserhöhle; er kann ebenfalls mit unterschiedlichen Anteilen der beiden Medien gefüllt sein.

Das Speicherkraftwerk 1, welches bei einigen Ausführungsformen mit einem drucklosen oberirdischen Speicher ausgerüstet sein muß, ist jeweils über eine Drückleitung 2 mit dem im See 3 angeordneten Hohlraum 4,4' oder 4" für die Substanz mit der geringeren Dichte verbunden. Dieser Hohlraum kann gebildet werden durch einen elastischen Behälter 5, der durch Verankerungen 6 ähnlich einem Fesselballon (Fi g. 1) oder durch eine auf Säulen stehende Betonplatte 7 (F i g. 2), die zusätzlich mit einer Beschwerung 8 versehen sein kann, am Aufschwimmen gehindert wird. Der Hohlraum 4, 4' oder 4" kann auch aus einem unten offenen Behälter 9 (F i g. 3) ähnlich einer Taucherglocke bestehen, der eine zusätzliche Beschwerung 8 aufweisen kann. Weiterhin ist es möglich, einen von Natur aus vorhandenen oder künstlich zu schaffenden seitlichen Hohlraum 10 (Fig.4) nach Art einer Unterwasserhöhle mittels einer Druckleitung 2 mit einem Speicherkraftwerk 1 zu verbinden.

In dem Hohlraum 4, 4' oder 4" nach einer der F i g. 1, 2, 3 oder 4 kann Gas oder eine Flüssigkeit, deren Dichte geringer ist als die der Flüssigkeit des Sees, unter einem Druck gespeichert werden, der sich aus dem Höhenunterschied und dem Dichteunterschied ergibt. Anstelle eines natürlichen oder künstlichen Sees 3 kann auch ein Weltmeer oder Binnenmeer zur Energiespeicherung in der beschriebenen Art dienen.

Zusammenstellung der verwendeten Bezugsziffern

1	Speicherkraftwerk (ggf. mit drucklosem
	oberirdischen Speicher)
2	Druckleitung
3	See (oder Meer)
4,4	',4" Hohlraum
5	elastischer Behälter
6	■" Verankerung
7	Betonplatte
8	Beschwerung
9	unten offener Behälter
	(ähnlich Taucherglocke)
0	seitlicher Hohlraum
	(ähnlich Uriterwässerhöhlc)
	Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Speichern von Energie mit Hilfe der Auftriebskraft resultierend aus der unterschiediichen Dichte zweier oder mehrerer flüssiger oder gasförmiger Substanzen nach dem Prinzip des Gleichdruckspeichers mit einem Hohlraum variablen Volumens für die Substanz geringerer Dichte, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum variablen Volumens (4) aus einem gegenüber der Substanz höherer Dichte geschlossenen elastischen Behälter (5) besteht, der innerhalb der Substanz mit der höheren Dichte (3) festgehalten ist, wobei zur Veränderung des variablen Volumens eine einzige Verbindungsleitung (2) genügt.

2. Vorrichtung zum Speichern von Energie mit Hilfe der Auftriebskraft resultierend aus der unterschiedlichen Dichte zweier oder mehrerer flüssiger oder gasförraiger Substanzen nach dem Prinzip des Gieichdruckspeichers mil einem Hohlraum variablen Volumens für die Substanz geringerer Dichte, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum variablen Volumens (4') für die Substanz niedrigerer Dichte durch die Verdrängung der Substanz höherer Dichte aus einem auf der Unterseite offenen Behälter (9) entsteht, der innerhalb der Substanz höherer Dichte (3) festgehalten ist

3. Vorrichtung zum Speichern von Energie mit Hilfe der Auftriebskraft resultierend aus der unterschiediichen Richte zweier oder mehrerer flüssiger oder gasförmiger Substanzen nach dem Prinzip des Gleichdruckspeichers mit einem Hohlraum variablen Volumens für die Substanz geringerer Dichte, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum variablen Volumens (4") für die Substanz niedrigerer Dichte durch die Verdrängung der Substanz höherer Dichte aus einer an die Substanz höherer Dichte seitlich angrenzenden und mit dieser auf der Unterseite in Verbindung stehenden höhlenartigen Ausbuchtung (10) besteht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der elastische Behälter ähnlich einem Fesselballon innerhalb der Substanz höherer Dichte festgehalten ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elastische Behälter durch eine über ihm angeordnete Betonplatte innerhalb der Substanz höherer Dichte festgehalten ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der Grenzfläche zwischen der Substanz mit der niedrigeren Dichte und der Substanz mit der höheren Dichte durch Einbringen einer flüssigen Trennschicht ein Verdampfen, Durchmischen oder In-Lösung-gehen verhindert wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der Grenzfläche zwischen der Substanz mit der niedrigeren Dichte und der Substanz mit der höheren Dichte durch eine Trennfolie eine Durchmischung, ein Verdampfen oder In-Lösung-gehen verhindert wird, wobei die Trennfolie die Substanz mit der niedrigeren Dichte auch ganz umschließen kann.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanzen unterschiedlicher Dichte Flüssigkeiten sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche I bis 8,

dadurch gekennzeichnet, daß die Substanz höherer Dichte aus normalem Wasser besteht

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Substanz mit der niedrigeren Dichte Erdöl oder eines seiner Derivate verwendet wird.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Substanz mit der höheren Dichte salzhaltiges Wasser verwendet wird.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Substanz mit der niedrigeren Dichte normales Wasser verwendet wird.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Substanz mit der niedrigeren Dichte Erdöl oder eines seiner Derivate verwendet wird.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche J bis 7, dadurch gekennzeichnet daß die Substanz mit der niedrigeren Dichte ein Gas und die Substanz mit der höheren Dichte eine Flüssigkeit, z. B. Süß- oder Salzwasser oder Erdöl oder eines seiner Derivate, ist

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß als Gas ein in der Flüssigkeit schlecht lösliches Gas verwendet wird.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß als Gas normale Luft verwendet wird.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung in einem Luftspeicherkraftwerk (1) für den verdichterlosen Betrieb mit einer Gasturbine zum Ausgleich von Schwach- und Spitzenlastzeiten verwendet wird.