DE3440579A1 - Windkraftspeicher - Google Patents

Description

- Vi indkraftspe icher

Die Erfindung bezieht sich auf Speicher fuer mechanische Energie, insbesondere fuer die von Windkraftwerken erzeugte Energie." _^.-_—

Fuer die Speicherung j3er Windkraft, die in vielen Gegenden der Welt waehrend der Nachtstunden in erhoehtem Hasse anfaellt, sind bisher vor allem Akkumulatoren vorgeschlagen worden. Fuer sehr grosse Energiebetraege aber eignen sich Akkumulatoren wegen der hohen Investitionen und der verhaeltnismaessig geringen Lebensdauer nicht. Damit verbleiben bisher nur die zur Speicherung des Nachtstromes der allgemeinen Elektrizitaetswerke verwirklichten Verfahren, naemlich die Speicherung in Form potentieller Energie durch, hochliegende Seen in Verbindung mit Pumpspeicher-Kraftwerken oder die Fuellung von Kavernen mit Pressluft in Verbindung mit Gasturbinen.

Pumpspeicher-kraftwerke sind an hohe Gebirge und geeignete abdaemmbare Taeler gebunden, an Gegenden also, die in aller Regel eine geringe Bevoelkerungsdichte aufweisen. Pressluft-Kavernen setzen andererseits riesige natuerliche Hoehlen in grosser Tiefe oder Salzstoecke voraus. Bei den Pressluftspeicher- Kraftwerken geht darueberhinaus die Kompressionsenthalpie weitgehend verloren, der Speicherwirkungsgrad ist dementsprechend sehr schlecht.

Die" Erfindung bezieht sich auf Energiespeicher, die zwar ebenfalls Pressluft als Speichermedium verwenden, die aber die gesamte Kompressionsenthalpie Waermespeichern zufuehren, so dass, laesst man die Maschinenwirkungsgrade ausser Acht, die .gesamte eingespeicherte Leistung wieder zurueckgewonnen wird nachdem die Speicherwaerme der Pressluft Stufe fuer Stufe wieder aufgepraegt wird. Mach diesem Verfahren lassen sich auch grosse und groesste Energiemengen wirtschaftlich in Vorrat halten. Die Erfindung bedient sich eines Kompressors mit sehr vielen

Verdichtungsstufen und einem Verdichtungsgrad, dem ein so geringer Temperaturanstieg zugeordnet ist, dass Wasser als Speichermedium einsetzbar ist. Waehrend der Massenstrom die Kompressorstufen in Reihenschaltung durchlaeuft, erfolgt der Entzug der Waerme durch einen—Waermetraeger, der den Waermetauschern der einzelnene Stufen parallelgeschaltet ist, so dass der Temperaturanstieg fuer jede Stufe den gleichen Betrag aufweist, wodurch Entropieverluste vermieden werden.

Die hochkomprimierte Luft, der die gesamte Verdichterleistung in Form von Waerme entzogen wurde, wird in Behaelter geleitet, die am Meeresboden in moeglichst grosser Tiefe verankert sind. Diese Behaelter bestehen vorzugsweise aus Membrankonstruktionen. Die Waerme wird in einem isolierten Wassertank gespeichert, der ebenfalls als Membrankoerper ausgebildet sein kann und entweder an der Wasseroberflaeche schwimmt oder in einer vorgegebenen Wassertiefe verankert ist."

Waehrend die Speicherung der Luft ohne Massenverlust erfolgt, verliert der Waermespeicher in Abhaengigkeit vom Oberflaechen-Volumenverhaeltnis und der Waermedaemmung laufend Energie. Diese Energie wird durch Brenner, durch Abgaswaermeverwertung naheliegender Kraftwerke oder auch durch Solarenergie ersetzt. Zur Energieverwertung wird die Pressluft einer Expansionsturbine oder andersartig gebauten Expansionsmaschinen in umgekehrter Durchstroemungsrxchtung wie bei der Verdichtung zugefuehrt. Dabei wird dem Massenstrom jeweils vor dem Eintritt in eine Turbinenstufe die ihm bei der Speicherladung entzogene Waerme wieder aufgepraegt. Die Expansionsmaschine kann auch zusaetzlich aufgepraegte Waerme in mechanische Energie umsetzen. Diese Energiewandlung erfolgt wegen des aeusserst hohen Verdi'chtungsverhaeltnisses mit extrem hohem Wirkungsgrad. Die abgegebene Leistung der Speicheranlage kann aus diesem Grunde zum Beispiel zur Abdeckung von Belastungsspitzen auf hoehere Werte gebracht werden, als die Leistung bei der Einspeicherung. Auch kann mit Vorteil Niedertemperaturwaerme, z.B. von

■ <r

Sonnenkollektoren zur Nutzenergiegewinnung eingesetzt werden. Das Verfahren eignet sich nicht nur fuer Windenergiespeicherung sondern ebenso fuer die Speicherung der naechtlichen üeberschussenergie von Elektrizitaetswerken jeder Art.

Die Erfindung soll anhand von Figuren beschrieben werden.

Figur 1 zeigt schematisiert den Aufbau der Speicheranlage, Figur 2 zeigt eine andersartige Ausbildung der Maschinen, Figur 3 und 4 zeigen Speicherballons,

Figur 5 zeigt einen Grosspeicher,

Figur 6 zeigt eine am Meeresboden befestigte Winde.

Die Turbine 1, die sowohl eine Windturbine als auch eine Dampfturbine symbolisieren soll, treibt den Generator 2 ueber die Kupplung 3 an. Sobald die verfuegbare Leistung die benoetigte Leistung ueberschreitet, wird ueber die Kupplung 4 und das Getriebe 5 die Turbomaschine 6 zugeschaltet. Niederdruckseitig saugt die Turbine durch die Oeffnung 7 Aussenluft 8 an, die durch einen Waermetauscher 9 abgekuehlt wird. Die Niederdruckstufe 10 komprimiert die Aussenluft, die dann den Waermetauscher 11 in Richtung des Pfeiles 12 durchstroemt und abgekuehlt gemaess Pfeil 13 der zweiten Stufe 14 zugeleitet wird. Auch hier erfolgt die Verdichtung unter gleicher Temperaturzunahme des Massenstromes, so dass in allen Waermetauschern die gleiche Abkuehlung erfolgt. Nachdem die Luft alle Verdichterstufen durchlaufen hat und die Verdichtungswaerme der- letzten Stufe im Waermetauscher 15 abgegeben hat, wird sie durch eine Schlauchleitung 16 dem Tiefseespeicher 17 zugeleitet, der durch einen Anker 18 am Aufsteigen gehindert wird. Im Waermespeichertank 19 befindet sich Wasser 20 als Speichermedium. Die Pumpe 21 foerdert dieses Wasser im Gegenstrom zur Luft durch den Waermetauscherbereich 22. Das aufgewaermte Wasser gelangt durch die Leitung 23 zurueck in den Speichertank. Ein weiterer Kuehlkreislauf wird durch die Pumpe 24, die Tiefseewasser ansaugt, die Leitung 25 und die

Waermetauscherbereiche 26 sowie die Rueckleitung ?7 gebildet. Zur Energierueckgewinnung-wird die Stroemungsmaschine 6 in entgegengesetzter Richtung durchstroemt, aus dem Tiefseespeicher 17 gelangt kalte, hochgespannte Luft in den Waermetauscher 18. Dort wird ihr durch die Waerme'des Oberflaechenwassers 29 ueber die Pumpe 30 ein erster Waermebetrag aufgepraegt. Danach erfolgt weitere Aufheizung durch das ebenfalls im Gegenstrom durch die Pumpe 32 gefoerderte Heisswasser, welches die Waermetauscherbereiche 22 in Richtung des Pfeiles 12 durchsetzt. Innerhalb der Stufen der Stroemungsmaschine erfolgt jeweils wieder eine Abkuehlung, wobei die Abkuehlung in den einzelnen Stufen wiederum den gleichen Betrag hat, wie die Temperaturdifferenz bei der Ladung, üeber das Getriebe 5 und die Kupplungen 4 und 3 wird dem Generator 2 gegebenenfalls im Zusammenwirken mit der Turbine 1 mechanische Leistung aufgepraegt. üeber ein Ventil 33 laesst sich ein Sonnenkollektor 34 und/oder ein Wassererhitzer 35 mit einem Brenner 36 mit dem Wasserstrom der Pumpe 32 in Reihe schalten, wodurch die von der Stroemungsmaschine 6 abgegebene Leistung entsprechend erhoeht wird.

Figur 2 zeigt die Gruppe der Waermetauscher im Zusammenwirken mit zwei Stroemungsmaschinen, von denen die Stroemungsmaschine 201 einen Kompressor bildet, der vom Elektromotor 202 angetrieben wird und die Stroemungsmaschine 203 als Entspannungsturbine ausgebildet ist, die den Generator 204 antreibt. Die Durchstroemung des Pressluftteiles 205 des Waermetauschers erfolgt bei der Ladung in Richtung des Pfeiles 206 und bei der Entladung in Richtung des Pfeiles 207. Die Durchstroemung an den wasserseitigen Waermetauscherbereichen erfolgt in jedem Falle gegensinnig. An jedem Waermetauscher sind Ventile 209 angeordnet, die beim Laden eine Kommunikation mit der Kompressoraustrittsseite unter Zwischenschaltung der Rohre 210 herstellen und beim Entladen eine Kommunikation mit der Eintrittsseite der Entspannungsturbine 203 ueber die Rohre 211 herstellen. Gleichzeitig mit der Umschaltung der Ventile

wird, auch der Schalter 212 umgeschaltet, sodass der Transformator 214 dem Motor Ueberschussenergie zufuehrt, solange der Speicher geladen wird und der Generator 204 Nutzenergie ueber den Transformator 214 in das Netz 213 einspeist.

Figur 3 zeigt einen Speicherballon, der ueber eine Schlauchleitung 301_/_d_ie__in die Leitung 215 uebergeht, den Waermetauscherbereich des zugeordneten Waermetauschers 205a durchstroemt, sobald das Ventil 216 geoeffnet wird. Der Speicherballon ist ueber ein Seil 302 mit einem Erdanker 303, . der am Heeresboden befestigt ist, in solcher Hoehe gehalten, dass unabhaengig von der Kontur des Meeresbodens alle Speicherballons im Niveau 304 fixiert sind. Die gepunktete Linie 306 gibt die Kontur der Aussenhaut im fast entleerten Zustand wieder.

Figur 4 zeigt einen Speicherballon, dessen Zenithbereich durch ein durch den Ballon hindurchgefuehrtes Seil 401 auf dem Niveau 402 gehalten wird. Die Aussenhautkontur entspricht im geladenen Zustand der Kurve 403, mit zunehmender Entladung durchlaeuft die Kontur die Konfigurationen 404, 405 und nimmt schliesslich die Form gemaess 406 an.

Figur 5a zeigt einen grossflaechigen Speicher, bei dem die Deckwand 501 in einer horizontalen Flaeche liegt. Sie besteht aus flexiblem Werkstoff, der durch eine Vielzahl von in konstantem Abstand zueinander angeordneten Seilen 502 in dieser Lage gehalten wird. Der Speicherraum ist von einer Wandung umgeben, die aus wassergefuellten Schlaeuchen 503, 504 und 505 besteht. Die jeweiligen Durchmesser der Schlaeuche sind so bemessen, dass der obere Rand 506 wiederum in einer horizontalen Flaeche liegt. Jedem Seil 502 ist eine Haspel 507 zugeordnet, die motorisch angetrieben eine Verlaengerung bei Ladung und eine Verkuerzung der Seiilaenge bei Entladung bewirkt. Im voellig entladenen Zustand sind die Seile 502 bis an den Meeresboden 508 herangezogen, wie in Figur 5b gezeigt wird.

Figur'6 zeigt schematisiert eine Haspel 507a, deren Rahmen ueber den Anker 601 mit dem Heeresboden 602 fest verbunden ist. Die Trommel 604 wird ueber ein Getriebe 603 vom reversierbaren Motor 605 angetrieben. Alle Motoren werden in der Regel gleichzeitig betaetigt. . ~ "" "

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Speicherung mechanischer Energie, dadurch gekennzeichnet, dass Ausserffüft (8) in einem mehrstufigen Verdichter (6, 201). komprimiert wird und nach jeder Verdichterstufe (10, 14) jeweils^einen Waermetauscher (11) durchlaeuft, wobei die Verdichtungsenthalpie einem fluessigen Waermetraegerkreislauf (20, 21, 23_# 32) im Gegenstrom , aufgepraegt wird und einem T/äTssergef uellten Waermespeicherbehaelter zugeleitet wird, dessen Innendruck mit dem Druck des ihn umgebenden Mediums (20a) zusammenfaellt, und dass die komprimierte Luft einem Behaelter (17) zugefuehrt wird,~ der am Meeresboden verankert dem Druck des Meerwassers ausgesetzt ist, wobei das Stufen- Verdichtungsverhaeltnis so niedrig gewaehlt wird, dass die durch die Waerme der Verdichtung verursachte Maximaltemperatur unterhalb der Temperatur liegt, die dem Wasserdampfdruck zugeordnet ist, der dem Druck des den Behaelter (19) umgebenden Mediums (20a) entspricht und dass der Enddruck der Verdichtung so hoch gewaehlt wird, dass er groesser ist als der Druck der durch die Meerestiefe bestimmten Wassersaeule und dass die den in Reihe geschalteten Verdichterstufen (10, 14, ..) zugeordneten Waermetraegerkrexslaeufe parallelgeschaltet sind und dass bei der Entladung die Pressluft eine Entspannungsmaschine (6, 203) durchsetzt, deren Stufen- Druckverhaeltnis so gewaehlt ist, dass der Betrag der Temperaturaenderung bei der Entspannung annaehernd den gleichen Wert hat, wie bei der Verdichtung und dass die Waermetauscher (11, 15, 205) in den Durchstroemungsrichtungen beim Laden in entgegengesetzten Richtungen von Luft und Waermetraeger durchstroemt werden, wobei die gespeicherte Waerme dem Luftstrom wieder aufgepraegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Waermetauscher (11, 22, 26, 205, 208) aus drei Hohlkoerpern bestehen, von denen der erste (11, 205) im Luftkreislauf liegt, ein zweiter (26, 208) in einem offenen Seewasserkreislauf,

dessen Enden an der Oberfl'aeche (2$*) und in grosser Tiefe (24a) muenden angeordnet ist, und ein dritter (22, 22¹) in einem Speicherbehaelterkreislauf (19), dessen Enden mit dem obersten und dem untersten Bereich" des, Speicherbehaelters kommunizieren, angeordnet ist, und dass ein erstes Temperaturintervall, das kleiner ist, als die Differenztemperatur zwischen dem Oberflaechenwasser (29) und dem Tiefenwasser (24a) dem Seewasserkreislauf aufgepraegt bzw. entzogen wird und dass das darueberliegende TelnpeTäTürlntervall dem Speichermedium (20) aufgepraegt bzw. entzogen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem durch Verdichtungsenthalpie erwaermten Waermetraeger durch eine zusaetzliche Waermequelle (34, 35) weitere Waerme aufgepraegt wird, soddass die Temperatur auf einen Wert ansteigt, der oberhalb der Temperatur des Waermespeicherwassers (20) im hoechsten Bereich des Speicherbehaelters (19) liegt.

4. Speicherbehaelter zur Durchfuehrung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er biegeunsteife Wandungen aufweist.

5. Speicherbehaelter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass er ballonfoermig ausgebildet ist und am tiefsten Punkt ueber ein Kabel (302) am Meeresboden verankert ist.

6. Speicherbehaelter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Speicherbehaeltern im gleichen Niveau angeordnet sind.

7. Speicherbehaelter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zenithbereich (402) des Ballons ueber ein Kabel (401) mit dem tiefsten Punkt des Speicherbehaelters (403) verbunden ist.

" '.. ' ³' *"■ 3U0579

8. Speicherbehaelter nach Anspruch 4/ dadurch gekennzeichnet, dass ,der Speicherbehaelter aus einer Umfassung (503, 504, 505) besteht _L deren Oberkante in einer Horizontalebene (506) liegt und dass der Speieher-taum- durch eine biegeunsteife Decke (50) abgedeckt ist, die durch in gleichen Abstaenden zueinander
angeordnete Seile (502) und Anker (601) mit dem Meeresboden
verbunden-ist. ..^"

9. Speicherbehaelter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Laenge der Seile (502) dem jeweiligen Ladezustand
angepasst wird.

10 Speicherbehaelter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Seile (502) ueber Haspeln (604) mit motorischem Antrieb (603, 605) verkuerzt werden koennen.

11. Speicherbehaelter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, die eine synchrone Verkuerzung
aller Seile (502) zur Erhaltung eines horizontalen Verlaufes der Decke (50) zulassen.