DE4312912A1 - Energiespeicher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Energiespeicher.

Die Nutzung natürlicher Energiequellen wie Wind- und Sonnenenergie erlebt in zunehmendem Maße ihren Einsatz als Erzeuger elektrischer und mechanischer Energie zum Betrieb diverser elektrischer und mechanischer Verbrau­ cher, sei es im gewerblichen, industriellen oder auch im privaten Bereich.

Ein wesentliches Problem bei dem Einsatz derartiger Energiequellen zur Erzeugung elektrischer oder mecha­ nischer Energie liegt darin, daß diese Energien nicht erzeugt werden können, wenn die Sonne nicht scheint, d. h. in Nachtzeiten oder aber bei bedecktem Himmel oder wenn der Wind nicht in einem zum Betrieb der verwendeten Energiewandler ausreichendem Maße weht. Nach wie vor muß in einem derartigen Fll beispielsweise elektrische Energie aus einem Energieversorgungsnetz entnommen werden, bei dem nutzbare elektrische Energie mittels fossiler, primärer Energieträger wie Kohle, Öl oder Erdgas oder mittels Kernkraft erzeugt wird. Vielfach ist aber Wind als natürlicher Energieträger auch dann beispielsweise in der Nacht vorhanden, wenn der Energie­ bedarf normalerweise sehr niedrig ist.

Man hat versucht, elektrische Energie, die mittels Windkraftanlagen und/oder mittels Solarenergieanlagen erzeugt wird, in Form elektrischer Energie in Akkumula­ toren zu speichern. Die heutige Akkumulatorentechnik ist aber trotz Einsatzes ausgefeilter Steuerungs- und Regelungseinrichtungen einerseits und verbesserter Akkumulatorentechnik andererseits nach wie vor nicht in der Lage, auf einfache Weise große Energiemengen zu speichern und bei Bedarf mit hoher Leistung zur Verfü­ gung zu stellen, beispielsweise zum Betrieb von Ferti­ gungsmaschinen, Fertigungsanlagen oder auch für sonstige übliche gewerbliche und/oder private Nutzung. Hinzu kommt noch ein wesentlicher Nachteil, daß nämlich bei der Zwischenspeicherung elektrischer Energie im Akkumu­ latoren, da die per se nur eine Gleichspannung zu liefern imstande sind, diese wiederum in ein- oder mehrphasige Wechselspannung umgewandelt werden muß, was wiederum mit erheblichen Energieverlusten verbunden ist.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Energie­ speicher zu schaffen, der in der Lage ist, eine große Energiemenge zu speichern, der in der Lage ist, die große Energiemenge kurzfristig abzugeben, der netzunabhängig betrieben werden kann und leicht und kostengünstig herstellbar und bereitstellbar ist.

Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß mittels natürlicher Energiequellen eine Einrichtung, die sich auf einem ersten vorbestimmten Energieniveau befindet, auf ein zweites Energieniveau überführt wird, das größer als das erste Energieniveau ist, wobei die Energie, die durch die Einrichtung beim Obergang vom zweiten Energieniveau auf das erste Energieniveau abgegeben wird, durch eine dadurch angetriebene Genera­ toreinrichtung erzeug- und bereitstellbar ist.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht im wesentlichen darin, daß prinzipiell die Menge der gespeicherten Leistung von der Höhe des Energieniveaus bestimmt werden kann, auf das die Einrichtung zu einer Zeit verbracht wird, wo die von der natürlichen Energie­ quelle gelieferte Energie nicht anderweitig benötigt wird, beispielsweise auch in der Nacht. Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt auch darin, daß die erfindungsgemäß für den Energiespeicher verwen­ deten Komponenten an sich handelsübliche Komponenten sind, die kostengünstig und auf einfache Weise bereit­ stellbar sind und in Kombination miteinander gemäß der vorgeschlagenen Lösung zur Ausführung ihrer bestimmungs­ gemäßen Funktion auf einfache Weise zusammenwirken können.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die natürliche Energiequelle Windenergie, die eine Windkraftanlage antreibt. Bei der Verwendung einer Windkraftanlage, d. h. bei Ausnutzung der Windenergie kann der Energiespeicher auch beispielsweise in der Nachtzeit betrieben werden, unter der Voraussetzung, daß in der Nacht der Wind in geeigneter Stärke weht. Am Morgen, bzw. am Tage, generell aber auch dann, wenn Energie benötigt wird, kann der Energiespeicher wiederum die in ihm gespeicherte Energie abgeben, indem die Einrichtung vom zweiten, höheren Energieniveau wiederum auf das niedrigere Energieniveau überführt wird und dabei die Generatoreinrichtung elektrische und/oder mechanische Energie liefert.

Bei einer weiteren anderen vorteilhaften Ausführungsform des Energiespeichers ist die natürliche Energiequelle Solarenergie, die eine elektrische Energie liefernde Solarenergieanlage beaufschlagt. Hier kann faktisch am Tage, wenn die Sonne in ausreichendem Maße Solarenergie liefert, der Energiespeicher durch Verbringung der Einrichtung vom ersten, niedrigeren Energieniveau auf das zweite, höhere Energieniveau verbracht wird. Es ist dabei auch denkbar, sowohl Windenergie als auch Sonnen­ energie zur Speicherung, d. h. zur Verbringung der Einrichtung auf das zweite Energieniveau kombiniert zu verwenden, wodurch ggf. eine höhere Speicherleistung erreicht werden kann.

Bei einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung des Energie­ speichers umfaßt die Energieeinrichtung eine Masse, die mittels einer durch die Energiequelle beaufschlagten Antriebseinrichtung vom ersten Energieniveau auf das zweite Energieniveau verbracht wird. Diese Masse kann beispielsweise durch einen Körper aus Stahl, Eisen oder Beton gebildet werden, der mittels der Antriebseinrich­ tung entgegen der Wirkung der Gravitation auf ein vorbestimmtes zweites Höhenniveau verbracht wird, entsprechend einem zweiten Energieniveau, das höher als das erste Höhenniveau bzw. Energieniveau liegt. Die Antriebseinrichtung kann dabei dann beispielsweise mittels Wind- und Solarenergie angetrieben werden. Nachts, wenn keine Solarenergie vorhanden ist, kann dann infolge der auf die Masse wirkenden Gravitation die Masse auf das erste Höhenniveau bzw. Energieniveau verbracht werden, wobei dabei nutzbare Energie erzeugt wird. Die Nutzung dieses Energiespeichers ist allerdings nicht auf die Nacht beschränkt, vielmehr kann der Speicher immer dann geladen werden, wenn die Energie­ quelle, ob Sonnenenergie und/oder Windenergie zur Verfügung steht und der Speicher kann immer dann entla­ den werden, wenn sein Ladungszustand dieses erlaubt, beispielsweise in der Nacht, wie beschrieben, oder aber auch zu Zeiten, in denen hohe Leistungen benötigt werden.

Die Energiemenge, die der Energiespeicher zu liefern im Stande ist, kann in Form elektrischer und/oder mecha­ nischer Energie abgegeben werden. Dabei ist es aber grundsätzlich vorteilhaft, die Energie, wie eingangs beschrieben, mittels einer Generatoreinrichtung zu erzeugen, die in der Lage ist, elektrische Energie zu liefern.

Auch die Antriebseinrichtung selbst kann durch die Energiequelle, beispielsweise durch Wind, mechanisch ausgebildet sein, um die Einrichtung auf das zweite, höhere Niveau zu überführen, d. h. mittels einer mecha­ nischen Kraftkopplung. Vorteilhaft ist es aber, die Antriebseinrichtung derart auszubilden, daß sie ein mit elektrischer Energie betriebener Motor ist.

Diese Ausgestaltung der Antriebseinrichtung in Form eines Elektromotors in Verbindung mit der Ausgestaltung, bei der die Generatoreinrichtung elektrische Energie liefert, kann vorteilhaft sein, um die Antriebseinrichtung mit der Generatoreinrichtung zu koppeln, d. h. in Form eines Motor-Generatorsatzes.

Schließlich ist es vorteilhaft, den Elektromotor als Generator und/oder den Generator als Elektromotor betreibbar auszubilden, wobei diese Ausgestaltung den Vorteil hat, daß kein gesondertes Antriebsaggregat bzw. kein gesondertes elektrische Energie lieferndes Aggregat vorgesehen werden muß, vielmehr beide Funktionen von einem Aggregat ausgeführt werden können.

Grundsätzlich ist darauf hinzuweisen, daß die Gestaltung des zweiten höheren Energieniveaus nicht auf eine Betrachtung der potentiellen Energie beschränkt ist. Vielmehr ist der hier verwendete Begriff höheres Energie­ niveau im Sinne von größerer Energie zu verstehen, so daß beispielsweise auch vorteilhafterweise Einrichtungen durch den erfindungsgemäßen Energiespeicher erfaßt sind, die durch ein mechanisches Federwerk gebildet werden, das mittels einer durch die Energiequelle beaufschlagten Energieniveau vom ersten Energieniveau auf das zweite Energieniveau verbracht wird, beispielsweise durch entsprechendes Spannen der Feder wie bei einem Feder­ werk.

Um schließlich den Energiespeicher auf vorbestimmte Weise zu laden bzw. zu entladen, ist es bei einer weiteren anderen Ausführungsform schließlich vorteilhaft, die Verbringung der Einrichtung auf das zweite Energieniveau sowie den Übergang vom zweiten Energieniveau auf das erste Energieniveau wenigstens zeitlich automatisch gesteuert erfolgen zu lassen, so daß in Abhängigkeit der Verfügbarkeit der natürlichen Energiequelle, sei es Solarenergie und/oder Wind, immer eine optimale Ladung des Energiespeichers erfolgen kann, wobei insbesondere diese automatische Steuerung rechnergestützt erfolgen kann und durch entsprechende Programmänderungen bzw. -variation unmittelbar an veränderte Umgebungsbedingun­ gen in bezug auf die natürliche Energiequelle eine optimale Anpassung möglich ist.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die einzige nachfolgende schematische Zeichnung anhand eines Ausfüh­ rungsbeispieles eingehend beschrieben. Diese zeigt:

In Form einer Prinzipdarstellung in Verbindung mit einer blockschaltungsmäßigen Darstellung einen Energiespeicher, der mittels natürlicher Energiequellen wie Solarenergie und/oder Windenergie geladen werden kann.

Der Energiespeicher 10 besteht im wesentlichen aus einer Einrichtung 11, die bei dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel entgegen der Gravitationskraft von einem ersten vorbestimmten Energieniveau 13 auf ein zweites vorbestimmtes Energieniveau 14 überführt werden kann. Im einzelnen besteht die Einrichtung 11 hier aus einer Masse 110 aus Eisen, Beton oder einem beliebigen anderen geeigneten Werkstoff, der vorzugsweise ein hohes spezifisches Gewicht aufweist. Bei dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Einrichtung 11 bzw. die Masse 110 in einem im wesentlichen vertikal verlaufenden Schacht bzw. Rohr 21 hin und her bewegt, das bzw. der im Erdreich ausgebildet sein kann. Das Gewicht der Masse 110 kann beispielsweise 2000 bis 3000 kg betragen. Die Einrichtung 11 bzw. die Masse 110 wird mittels eines mechanischen Elements 22, das hier bei­ spielsweise als eine Stange, ein Seil oder als Kette ausgebildet ist, von einer Antriebseinrichtung 17 vom ersten Energieniveau 13 auf das zweite Energieniveau 14 entgegen der Richtung der Gravitation g überführt. Bedingt durch die Gravitation g kann dann die Masse 110 wiederum auf das zweite Energieniveau 13 überführt werden, wobei eine mit dem mechanischen Element gekop­ pelte Generatoreinrichtung 16 infolgedessen Energie, vorzugsweise eine elektrische Spannung liefert.

Bei der hier dargestellten Ausführungsform ist die Generatoreinrichtung 16 ein eine elektrische Spannung erzeugender Generator 19, grundsätzlich kann die Genera­ toreinrichtung 16 aber auch eine mechanische Energie liefern. Bei der hier dargestellten Ausführungsform ist die Antriebseinrichtung 17 ein Elektromotor, es kann aber auch ggf. sinnvoll sein, einen rein mechanischen Antrieb vorzusehen, was hier im einzelnen aber nicht weiter ausgeführt wird.

Es ist auch möglich, die Generatoreinrichtung 16 bzw. den elektrischen Generator 19 auch als Antriebseinrich­ tung 17 bzw. als Elektromotor 18 auszubilden. Die Generatoreinrichtung 16 bzw. der elektrische Generator 19 einerseits sowie die Antriebseinrichtung 17 bzw. der Elektromotor 18 sind auf geeignete Weise mit einer Steuerung 20 verbunden, die einerseits eine elektro­ nische steuerungs- und regelungstechnische Komponente umfaßt und andererseits eine elektrische Komponente für die Zufuhr einer elektrischen Spannung 24 zum Betreiben der Antriebseinrichtung 17 bzw. des Elektromotors 18 und für die vom Energiespeicher 10 gelieferte elektrische Spannung 23.

Die zunächst dem Energiespeicher 10 zugeführte elek­ trische Spannung wird durch natürliche Energiequellen 15 wie Wind über eine Windkraftanlage 150 oder aber über Solarenergie mittels einer Solarenergieanlage 151 geliefert, wobei es möglich ist, sowohl Wind als auch Solarenergie gleichzeitig auszunutzen, um die Förder­ leistung bei der Verbringung der Einrichtung 11 bzw. der Masse 110 vom ersten Energieniveau 13 auf das zweite Energieniveau 14 zu bewirken. Für die wahlweise Um- bzw. Zuschaltung der von der Windkraftanlage 150 bzw. von der Solarenergieanlage 151 gelieferten elektrischen Energie zum Betreiben der Antriebseinrichtung 17 bzw. des die Antriebseinrichtung bildenden Elektromotors 18 ist eine Schalt- und Steuereinrichtung 25 vorgesehen, die mit der Steuerung 20 schaltungstechnisch verbunden ist. Die Steuerung 20 kann eine rechnergestützte Steuerung sein, die in Abhängigkeit von hier nicht gesondert dargestel­ lten Windmeß- und/oder Sonnenenergiemeßeinrichtungen Steuerungsparameter geliefert bekommt, um einen optimalen Betrieb des Energiespeichers 10 beim Ladevorgang, d. h. bei der Verbringung der Einrichtung 11 bzw. der Masse 110 vom ersten Energieniveau 13 auf das zweite Energie­ niveau 14 zu gewährleisten. Dabei kann der Betrieb des Energiespeichers 10 vollständig automatisch erfolgen, so daß sich der Energiespeicher 10 auch beispielsweise zum Einsatz in abgelegenen Gebieten eignet, beispielsweise im Gebirge, ohne daß eine kontinuierliche Überwachung durch Personen erforderlich ist.

Zum Betrieb des Energiespeichers 10 wird die sich auf dem vorbestimmten ersten Energieniveau 13 befindliche Einrichtung 11 bzw. Masse 110 mittels der Antriebsein­ richtung bzw. des Elektromotors 18 auf das zweite Energieniveau 14 verbracht. Die Energieniveaudifferenz 26 kann ebenso wie dir Größe der Masse 110 aufgrund örtlicher und/oder konstruktiver Gegebenheiten sowie benötigter Leistungsparameter grundsätzlich festgelegt bzw. bestimmt werden. Die für die Verbringung benötigte Energie wird beispielsweise durch die natürlichen Energiequellen wie Solarenergie und Windkraft nach entsprechender Umwandlung, hier z. B. in Form einer elektrischen Spannung 24 zugeführt. Der Energiespeicher 10 liefert Energie, beispielsweise in Form einer elek­ trischen Spannung 23, wenn die Einrichtung 11 bzw. die Masse 110 infolge der Gravitation g beim Übergang vom zweiten Energieniveau 14 auf das erste Energieniveau 13 die Generatoreinrichtung 16 bzw. den elektrischen Generator 19 antreibt. Wie schon erwähnt, ist der Abgriff mechanischer Energie in der Generatoreinrichtung 16 ebenfalls möglich. Der Abruf für den Betriebszustand "Energieerzeugung" bzw. "Energielieferung" aus dem gefüllten Energiespeicher 10 kann automatisch oder auf bedarfsmäßige Veranlassung eingeleitet werden, bei­ spielsweise in Zeiten erhöhten Leistungsbedarfs, der ggf. aus einem örtlich zur Verfügung stehenden Leitungs­ netz nicht bereitstellbar ist.

Der Energiespeicher 10 kann aber auch derart betrieben werden, daß er mittels Solarenergie oder Windkraft 15 tagsüber geladen wird und nachts entladen wird, wenn beispielsweise Sonnenenergie nicht zur Verfügung steht.

Bezugszeichenliste

10 Energiespeicher
11 Einrichtung
110 Masse
13 erstes Energieniveau
14 zweites Energieniveau
15 Energiequelle (Sonnenenergie, Wind)
150 Windkraftanlage
151 Solarenergieanlage
16 Generatoreinrichtung
17 Antriebseinrichtung
18 Elektromotor
19 elektrischer Generator
20 Steuerung
21 Schaft
22 mechanisches Element
23 elektrische Spannung
24 zugeführte elektrische Spannung
25 Schalt- und Steuerungseinrichtung
26 Niveaudifferenz.

Claims (11)

1. Energiespeicher, dadurch gekennzeichnet, daß mittels natürlicher Energiequellen (15) eine Einrichtung (11), die sich auf einem ersten vorbestimmen Energieniveau befindet, auf ein zweites Energieniveau (14) überführt wird, das größer als das erste Energieniveau (13) ist, wobei die Energie, die durch die Einrichtung (11) beim Übergang vom zweiten Energieniveau (14) auf das erste Energieniveau (13) abgegeben wird, durch eine dadurch angetriebene Generatoreinrichtung (16) erzeug- und bereitstellbar ist.

2. Energiespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die natürliche Energiequelle (15) Windenergie ist, die eine Windkraftanlage (150) treibt.

3. Energiespeicher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Windkraftanlage (150) elektrische Energie liefert.

4. Energiespeicher nach einem oder mehreren der Ansprü­ che 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die natürliche Energiequelle (15) Solarenergie ist, die eine elek­ trische Energie liefernde Solarenergieanlage (151) beaufschlagt.

5. Energiespeicher nach einem oder mehreren der Ansprü­ che 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (11) eine Masse (110) umfaßt, die mittels einer durch die Energiequelle beaufschlagten Antriebseinrichtung (17) vom ersten Energieniveau (13) auf das zweite Energieniveau (14) verbracht wird.

6. Energiespeicher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Antriebseinrichtung (17) ein mit elek­ trischer Energie betriebener Motor (18) ist.

7. Energiespeicher nach einem oder mehreren der Ansprü­ che 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Generator­ einrichtung (16) ein elektrische Energie erzeugender Generator (19).

8. Energiespeicher nach einem oder mehreren der Ansprü­ che 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebs­ einrichtung (17) mit der Generatoreinrichtung (16) gekoppelt ist.

9. Energiespeicher nach einem oder beiden der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (18) als Generator (19) und/oder der Generator (19) als Elektromotor (18) betreibbar ist.

10. Energiespeicher nach einem oder mehreren der An­ sprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrich­ tung (11) ein mechanisches Federwerk umfaßt, daß mittels einer durch die Energiequelle (19) beaufschlagten Antriebseinrichtung (17) vom ersten Energieniveau (13) auf das zweite Energieniveau (14) verbracht wird.

11. Energiequelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbringung des Mediumvorrates auf das zweite Energieniveau (14) sowie der Übergang vom zweiten Energieniveau (14) auf das erste Energieniveau (13) wenigstens zeitlich automa­ tisch gesteuert erfolgt.