DE4410440C2 - Druckluftenergiespeicherverfahren und -system - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein CAES (compressed air energy storage-CAES)-
System gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein CAES-Verfahren gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 11. Bei einem CAES-System wird elektrische Energie au
ßerhalb der Spitzenzeiten genutzt, um Luft zu komprimieren, wobei die Druckluft in ei
nem CAES-Behälter gespeichert wird und dann während Elektroenergiespitzenver
brauchszeiten zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt wird.
Der Engergiebedarf in einem elektrischen System schwankt während des Tages erheb
lich, wobei es am Tage und in den frühen Abendstunden zu Spitzenbelastungen kommt
und das Minimum während der Nacht auftritt. Ein Elektroenergie-Erzeugungssystem
muß so konstruiert sein, daß es den Bedarf zu Spitzenbelastungszeiten deckt, und so
wird außerhalb der Spitzenbelastungszeiten ein erheblicher Anteil der Kapazität eines
Elektroenergieerzeugungssystems nicht genutzt.
Um die Wirtschaftlichkeit eines elektrischen Systems zu verbessern, ist es im allgemei
nen wünschenswert, die überschüssige Kapazität außerhalb der Spitzenbelastungszei
ten zu nutzen. Eine Nutzungsmöglichkeit besteht in der Speicherung von Energie au
ßerhalb der Spitzenbelastungszeiten, die dann während der Spitzenverbrauchszeiten
genutzt wird, um die Energieerzeugungskapazität zu erhöhen.
Es gibt verschiedene Einrichtungen zum Speichern von Energie für die spätere Erzeu
gung von Elektrizität einschließlich der Speicherung elektrischer Energie in elektrischen
Batterien, des Pumpens von Wasser in einen höherliegenden Speicher, um anschlie
ßend dieses Wasser zum Antrieb einer Turbine zu nutzen, um Elektrizität während der
Spitzenbelastungszeiten zu erzeugen, und auch ein CAES-System. In einem CAES-
System wird unter Nutzung von Elektrizität außerhalb der Spitzenzeiten Luft durch einen
elektrisch angetriebenen Kompressor komprimiert und in einem Druckluftbehälter ge
speichert. Während der Elektrizitätsspitzenverbrauchszeiten wird die Druckluft freige
setzt und treibt Turbinen an, die Elektrizität erzeugen.
CAES-Systeme sind beispielsweise aus den US-Patenten 3,677,008, 4,281,256,
4,391,552, 4,849,648, 4,593,202, 4,765,142, 4,936,098 und 4,872,307 bekannt. CAES-
Systeme umfassen im allgemeinen einen oder mehrere elektrisch betriebene Luft
kompressoren (üblicherweise Niedrigdruckkompressoren in Reihe mit Hochdruckkom
pressoren), einen Kompressionsenergiespeicher oder -behälter, häufig unterirdische
Höhlen, sowie Expansionsturbinen, die die Energie der Druckluft bei ihrer Ausdehnung
zur Erzeugung elektrischer Energie nutzen.
Gegenwärtig verfügbare CAES-Systeme sind im allgemeinen mit verschiedenen Hilf
seinheiten versehen, die den Wirkungsgrad des Systems verbessern sollen. Bei der
Kompression steigt die Temperatur der Luft und diese Erwärmung verringert die Spei
cherkapazität des Systems. Um dieses Problem zu vermeiden, wurden im allgemeinen
Kühler eingesetzt, die die Temperatur der aus den Kompressoren austretenden Luft
verringern. Darüber hinaus wurden bei bisherigen CAES-Systemen verschiedene Ener
gieverstärker eingesetzt, die die Kapazität der Druckluft, die Turbine anzutreiben, erhö
hen sollen. Derartige Energieverstärker waren beispielsweise verschiedene Heizeinrich
tungen, Verbrennungseinrichtungen und ähnliches, die Premium-Brennstoff nutzten.
Spezielle Arten derartiger Verstärker waren Wärmeenergie-Speichersysteme, die beim
Kompressionsvorgang erzeugte Wärme speicherten, um später die sich ausdehnende
Luft zu erwärmen, wodurch die Kapazität der Luft, die Turbine anzutreiben, zunahm.
Aus dem "Handbuch der Kältetechnik", Band 8, 1957, Seiten 56 und 57, Springer-
Verlag, ist ein Verfahren zur Luftverflüssigung (Linde-Verfahren) bekannt. Bei diesem
Verfahren wird vorzugsweise in mehreren Stufen Luft von einem Atmosphärendruck auf
einen höheren Druck verdichtet. Die durch die Verdichtung erwärmte Luft wird abge
kühlt, vorzugsweise auf Umgebungstemperatur. Bei der Expansion der verdichteten Luft
kühlt diese ab und bei entsprechend niedrigen Temperaturen entsteht flüssige Luft. Ins
besondere wird die expandierte, abgekühlte Luft zur Kühlung der verdicheten Luft ver
wendet, so daß ein Selbstverstärkungseffekt bei der Abkühlung und somit bei der Luft
verflüssigung eintritt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein CAES-System bzw. ein CAES-
Verfahren der jeweils eingangs genannten Art anzugeben, das einen hohen Wirkungs
grad aufweist.
Gemäß dem Vorrichtungsaspekt wird diese Aufgabe bei einem CAES-System der ein
gangs genannten Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmals des An
spruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstands sind in den Unteransprüchen
dargelegt.
Gemäß des Verfahrensaspekts wird die genannte Aufgabe durch ein CAES-Verfahren
der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale
des Anspruchs 11 gelöst.
In vorteilhafter Weise wird kein Premium-Brennstoff oder gespeicherte Kompressions
wärme genutzt, um die Elektrizitätserzeugungskapazität der aus dem CAES austreten
den Luft zu erhöhen. Bei einer Ausführung, die im folgenden manchmal als die
"Kälteerzeugungsausführung" bezeichnet wird, wird der Energieerzeugungswirkungs
grad des Systems durch die Nutzung von aus den Expansionsturbinen austretender
kalter Luft für die Kälteerzeugung erhöht. Bei dieser Ausführung wird die Wärme gekühl
ter Substanzen und Niedrigwärmequellen genutzt. Gemäß einer weiteren Ausführung,
die im folgenden als die "Kombinationsausführung" bezeichnet wird, wird das CAES-
System mit Kälteerzeugung mit einer Gasturbineneinrichtung kombiniert, und es wird
Wärme in Abgasen der Gasturbine genutzt, um die aus dem Druckluftbehälter austre
tende Luft zu erwärmen und so den Wirkungsgrad der Elektrizitätserzeugung durch das
System zu verbessern.
Gemäß einer Ausführung wird ein CAES-System geschaffen, das umfaßt:
einen Druckluftspeicherbehälter;
einen oder mehrere Kompressoren, die atmosphärische Luft komprimieren und sie in den Behälter einleiten;
einen oder mehrere Kühler, die mit den Kompressoren verbunden sind und die aus den Kompressoren austretende Druckluft kühlen;
eine Elektromotoreinrichtung zum Antrieb des einen oder der mehreren Kompressoren;
eine Generatoreinrichtung;
eine oder mehrere Expansionsturbinen, die mit der Generatoreinrichtung verbunden sind und die Generatoreinrichtung mittels der durch aus dem Behälter austretenden, sich ausdehnenden Druckluft erzeugten Energie antreiben; und
Kühleinrichtungen, die zu der einen oder den mehreren Expansionsturbinen gehören und die gekühlte, sich ausdehnende Luft, die aus den Expansionsturbinen austritt, zur Kälteerzeugung nutzen.
einen Druckluftspeicherbehälter;
einen oder mehrere Kompressoren, die atmosphärische Luft komprimieren und sie in den Behälter einleiten;
einen oder mehrere Kühler, die mit den Kompressoren verbunden sind und die aus den Kompressoren austretende Druckluft kühlen;
eine Elektromotoreinrichtung zum Antrieb des einen oder der mehreren Kompressoren;
eine Generatoreinrichtung;
eine oder mehrere Expansionsturbinen, die mit der Generatoreinrichtung verbunden sind und die Generatoreinrichtung mittels der durch aus dem Behälter austretenden, sich ausdehnenden Druckluft erzeugten Energie antreiben; und
Kühleinrichtungen, die zu der einen oder den mehreren Expansionsturbinen gehören und die gekühlte, sich ausdehnende Luft, die aus den Expansionsturbinen austritt, zur Kälteerzeugung nutzen.
Gemäß der einen Ausführung wird des weiteren ein CAES-Verfahren geschaffen, das
umfaßt:
das Komprimieren einer Menge Luft mittels einer oder mehrerer elektrisch angetriebener Kompressionsstufen, das Kühlen der aus jeder Kompressionsstufe austretenden Luft sowie das Einleiten der Druckluft in einen Druckluftbehälter; und bei Bedarf
das Freigeben eines Teils der Druckluft und Sich-Ausdehnen-Lassen derselben in einer oder mehreren Expansionsstufen, die aus der sich ausdehnenden Luft Arbeit gewinnen, wobei die Arbeit zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt wird, und Nutzung der aus der einen oder den mehreren Expansionsstufen austretenden Luft für eine Kälteerzeu gung.
das Komprimieren einer Menge Luft mittels einer oder mehrerer elektrisch angetriebener Kompressionsstufen, das Kühlen der aus jeder Kompressionsstufe austretenden Luft sowie das Einleiten der Druckluft in einen Druckluftbehälter; und bei Bedarf
das Freigeben eines Teils der Druckluft und Sich-Ausdehnen-Lassen derselben in einer oder mehreren Expansionsstufen, die aus der sich ausdehnenden Luft Arbeit gewinnen, wobei die Arbeit zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt wird, und Nutzung der aus der einen oder den mehreren Expansionsstufen austretenden Luft für eine Kälteerzeu gung.
Gemäß einer weiteren Ausführung wird ein CAES-System geschaffen, das umfaßt:
einen Druckluftspeicherbehälter;
einen oder mehrere Kompressoren, die atmosphärische Luft komprimieren und sie in den Behälter einleiten;
einen oder mehrere Kühler, die mit den Kompressoren verbunden sind und die aus den Kompressoren austretende Druckluft kühlen;
eine Elektromotoreinrichtung zum Antrieb des einen oder der mehreren Kompressoren;
eine Generatoreinrichtung;
eine oder mehrere Expansionsturbinen, die mit der Generatoreinrichtung verbunden sind und die Generatoreinrichtung mittels der durch aus dem Behälter austretenden, sich ausdehnenden Druckluft erzeugten Energie antreiben; und
eine Einrichtung zum Erwärmen der aus dem Behälter austretenden Luft, wobei die Ein richtung ein Wärmetauscher ist, der den Abgasen einer Gasturbine Wärme entzieht.
einen Druckluftspeicherbehälter;
einen oder mehrere Kompressoren, die atmosphärische Luft komprimieren und sie in den Behälter einleiten;
einen oder mehrere Kühler, die mit den Kompressoren verbunden sind und die aus den Kompressoren austretende Druckluft kühlen;
eine Elektromotoreinrichtung zum Antrieb des einen oder der mehreren Kompressoren;
eine Generatoreinrichtung;
eine oder mehrere Expansionsturbinen, die mit der Generatoreinrichtung verbunden sind und die Generatoreinrichtung mittels der durch aus dem Behälter austretenden, sich ausdehnenden Druckluft erzeugten Energie antreiben; und
eine Einrichtung zum Erwärmen der aus dem Behälter austretenden Luft, wobei die Ein richtung ein Wärmetauscher ist, der den Abgasen einer Gasturbine Wärme entzieht.
Gemäß einer weiteren Ausführung wird des weiteren ein CAES-Verfahren geschaffen,
das umfaßt:
das Komprimieren einer Menge Luft mittels einer oder mehrerer elektrisch angetriebener Kompressionsstufen, das Kühlen der aus jeder Kompressionsstufe austretenden Luft und das Einleiten der Druckluft in einen Druckluftbehälter; und bei Bedarf
das Freigeben eines Teils der Druckluft, das Erwärmen der Druckluft und das Sich- Ausdehnen-Lassen der erwärmten Druckluft in einer oder mehreren Expansionsstufen, die aus der sich ausdehnenden Luft Arbeit gewinnen, wobei die Arbeit zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt wird; das Komprimieren einer weiteren Menge Luft, das Verbrennen von Brennstoff in der Druckluft, das Ausdehnen der Verbrennungsgase, um so mechanische Arbeit zu gewinnen, und das Entziehen von Wärme aus den Verbren nungsgasen, wobei die Wärme zum Erwärmen genutzt wird.
das Komprimieren einer Menge Luft mittels einer oder mehrerer elektrisch angetriebener Kompressionsstufen, das Kühlen der aus jeder Kompressionsstufe austretenden Luft und das Einleiten der Druckluft in einen Druckluftbehälter; und bei Bedarf
das Freigeben eines Teils der Druckluft, das Erwärmen der Druckluft und das Sich- Ausdehnen-Lassen der erwärmten Druckluft in einer oder mehreren Expansionsstufen, die aus der sich ausdehnenden Luft Arbeit gewinnen, wobei die Arbeit zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt wird; das Komprimieren einer weiteren Menge Luft, das Verbrennen von Brennstoff in der Druckluft, das Ausdehnen der Verbrennungsgase, um so mechanische Arbeit zu gewinnen, und das Entziehen von Wärme aus den Verbren nungsgasen, wobei die Wärme zum Erwärmen genutzt wird.
Ein System gemäß der Kombinationsausführung kann darüber hinaus wie bei der Käl
teerzeugungsausführung Kühleinrichtungen aufweisen.
Die Elektromotoreinrichtung und die Generatoreinrichtung sind typischerweise eine
kombinierte Elektromotor-Generator-Einheit mit zwei Betriebsarten: einer ersten Be
triebsart, in der sie unter Verwendung von elektrischer Energie, die aus dem Hauptelek
trizitätssystem kommt, als Motor arbeitet; und einer zweiten Betriebsart, in der sie als
Stromerzeuger dient und Elektrizität erzeugt, die anschließend dem Hauptsystem zuge
führt wird.
Die Erfindung und ihre beiden Ausführungen, die jeweils verschiedene Abwandlungen
aufweisen, werden in der folgenden Beschreibung spezieller Ausführungen unter gele
gentlicher Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen dargestellt.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf spezielle Ausführungen bei ge
legentlichem Verweis auf die beigefügten Zeichnungen dargestellt. In den Zeichnungen
zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm eines CAES-Systems gemäß der Kälteerzeugungsaus
führung;
Fig. 2 eine Abwandlung der Ausführung in Fig. 1;
Fig. 3 ist ein Blockdiagramm eines CAES-Systems gemäß der Kombinationsaus
führung; und
Fig.
4 und 5 Abwandlungen der Ausführung in Fig. 3.
In der folgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen werden verschiedene
Ausführungen beschrieben. In den Zeichnungen sind Bezugszeichen so verwendet wor
den, daß das Bauteil mit der gleichen Funktion in den verschiedenen Ausführungen ein
Bezugszeichen erhalten hat, bei dem die letzten beiden Ziffern identisch sind (z. B. erfüllt
Kompressor 111 in Fig. 1 eine ähnliche Funktion wie Kompressor 211 in Fig. 2 bzw. 3).
Es wird zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen, die ein CAES-System darstellt, das
Elektrizität außerhalb der Spitzenzeiten nutzt, um Energie in der Form von Druckluft zur
anschließenden gleichzeitigen Erzeugung von Elektrizität und Kälte in Spitzenzeiten zu
speichern. Das System umfaßt Kompressoren 111 und 112, Luft-Expansionsturbinen
113 und 114, Zwischenkühler 115 und Nachkühler 116, Zwischen- und Endkühleinrich
tungen 117 und 118, eine wahlweise einzusetzende Heizeinrichtung 119, und einen
Kompressionsenergie-Vorratsbehälter 123. Ventile 121 und 122 verbinden die letzte
Kompressionsstufe 112 bzw. die erste Expansionsstufe 113 mit einem Druckluftenergie-
Speicherbehälter 123. Der Behälter kann von jedem beliebigen, in der Technik bekann
ten Typ sein, wie beispielsweise eine Salz- oder Felsenhöhle, ein Aquifer-Speicher, ein
Speichertank usw.
Das System umfaßt des weiteren eine kombinierte Elektromotor-Generator-Einheit 124,
die über Kupplungen 126 und 127 mit Kompressoren 111 und 112 bzw. Expansionstur
binen 113 und 114 verbunden ist.
Die in Fig. 1 dargestellte Ausführung umfaßt zwei Kompressoren 111 und 112, wobei
der erste ein Niedrigdruckkompressor und der zweite ein Hochdruckkompressor ist. Das
in Fig. 1 dargestellte System umfaßt desgleichen zwei Expansionsstufen 113 und 114.
Anstelle einer Zweistufen-Kompression oder einer Zweistufen-Expansion kann das Sy
stem auch drei oder mehr Kompressions- bzw. Expansionsstufen aufweisen. Darüber
hinaus kann das System ebenfalls eine Vielzahl von Kompressoren oder Expansionstur
binen umfassen, die parallel verbunden sind und arbeiten. Desgleichen können die in
Fig. 2 bis 5 dargestellten und weiter unten beschriebenen Ausführungen wie die Ausfüh
rung in Fig. 1 eine andere als die dargestellte Anzahl von Kompressions- und Expansi
onsstufen umfassen.
Die in dem erfindungsgemäßen System eingesetzten Kompressoren und Expansion
sturbinen können eine beliebige einer Vielzahl in der Technik bekannter Arten von Kom
pressoren bzw. Expansionsturbinen sein.
Zwischenkühler 115 und Nachkühler 116 sind Wärmetauscher, die der Kühlung der aus
den Kompressoren 111 bzw. 112 austretenden Druckluft dienen. Die Kühler können von
einer beliebigen, in der Technik bekannten Art sein, und beruhen typischerweise auf
dem Wärmeaustausch mit Wasser oder mit Luft, die über an sich bekannte Rohrleitun
gen, Pumpen, Gebläse (in den Zeichnungen nicht dargestellt) aus der Umgebung zuge
führt werden. Die Kühler können einen Wasserabscheider aufweisen, der der Luft kon
densiertes Wasser entzieht, wobei das Wasser anschließend den Abnehmern zugeführt
werden kann.
Kühleinrichtungen 117 und 118 sind Wärmetauscher, in denen die aus den Expansion
sturbinen austretende Luft zur Kühlung von Flüssigkeiten, Gasen, verschiedenen Sub
stanzen, Materialien und Vorrichtungen genutzt wird.
Das System gemäß der in Fig. 1 dargestellten Ausführung umfaßt wie auch das der an
deren, in Fig. 2 bis 5 dargestellten Ausführungen eine kombinierte Elektromotor-
Generatoreinheit (124 in Fig. 1), die über Kupplungen (126 und 127 in Fig. 1) mit Kom
pressoren (111 und 112 in Fig. 1) bzw. Expansionsturbinen (113 und 114 in Fig. 1)ver
bunden ist. Anstelle einer kombinierten Motor-Generator-Einheit kann ebenfalls ein se
parater Elektromotor verwendet werden, der die Kompressoren antreibt, sowie ein sepa
rater Generator, der durch die Expansionsturbinen angetrieben wird. Es ist darauf hin
zuweisen, daß ein System, das einen Elektromotor und einen Generator separat um
faßt, in einer Betriebsart arbeiten kann, in der Luft komprimiert wird und gleichzeitig zur
Erzeugung von Elektrizität und Kälte genutzt wird.
Außerhalb der Spitzenzeiten dient das CAES-System dazu, Behälter 123 mit Druckluft
zu füllen. Während dieser Zeiten ist Kupplung 126 eingekuppelt, und Kupplung 127 ist
ausgekuppelt, Ventil 121 ist geöffnet, und Ventil 122 ist geschlossen. Motor-Generator
124 nutzt elektrische Energie, die von der Haupteinrichtung kommt, um die Kompresso
ren 111 und 112 anzutreiben. Luft, die durch Lufteinlaß 128 eintritt, wird durch die Kom
pressoren 111 und 112 komprimiert, und die Druckluft tritt über Ventil 121 in Behälter
123 ein. Während der Kompression wird die Luft erwärmt, und anschließend wird er
wärmte Luft durch Zwischenkühler 115 und Nachkühler 116 abgekühlt; die Kühlung
durch Zwischenkühler 115 verringert die durch Kompressor 112 verbrauchte Energie
und die Kühlung durch Nachkühler 116 erhöht die Dichte der Druckluft und erhöht damit
die Speicherkapazität von Behälter 123.
Während der Elektroenergiespitzenverbrauchszeiten wird die im Behälter 123 gespei
cherte Druckluft für die kombinierte Erzeugung von elektrischer Energie und Kälte ge
nutzt. In dieser Betriebsart ist Ventil 121 geschlossen, Ventil 122 ist geöffnet, Kupplung
127 ist eingekuppelt, und Kupplung 126 ist ausgekuppelt. Dadurch treibt die sich in den
Expansionsturbinen 113 und 114 ausdehnende Luft Motor-Generator 124 an, der an
schließend der Haupteinrichtung Elektrizität zuführt. Bei der Ausdehnung wird die sich
ausdehnende Luft auf niedrige Temperaturen abgekühlt, und diese Luft dient der Käl
teerzeugung in den Kühleinrichtungen 72 und 73. Die verbrauchte Luft tritt anschließend
über Auslaß 119 aus dem System aus. Bei Elektroenergiespitzenbedarf, der mit hohem
Kältebedarf zusammenfällt, beispielsweise an heißen Sommertagen, kann die in den
Kühleinrichtungen 117 und 118 erzeugte Kälte direkt zum Kühlen in angeschlossenen
Einrichtungen verwendet werden.
Wenn die erzeugte Kälte nicht genutzt werden kann, und bei Elektroenergieverbrauch
spitzenzeiten, die nicht mit hohem Kältebedarf zusammenfallen, beispielsweise in den
Abendstunden im Winter, kann die Kapazität des Systems von einer kombinierten Er
zeugung von Elektrizität und Kälte auf eine höhere Erzeugung von Elektrizität umge
schaltet werden. In dieser Betriebsart ist die Endkühleinrichtung 118 lastfrei und die
wahlweise Lufterwärmungseinrichtung 119 kann verwendet werden, um die Ausgangs
leistung der Expansionsturbinen 113 und 114 zu erhöhen. Darüber hinaus kann Wärme
tauscher 117 auch im Umkehrbetrieb eingesetzt werden, d. h., um die aus Expansion
sturbine 113 austretende Luft zu erwärmen, bevor sie in Expansionsturbine 114 eintritt.
Die Erwärmung in Erwärmungseinrichtung 119 und Wärmetauscher 117 kann durch die
umgebende Luft oder Wasser, durch Sonnenenergie, durch Verwendung von Warm
wasser oder Dampf aus Industrieanlagen, durch verschiedene Abwärmequellen, oder
durch andere Niedrigwärmequellen usw. erreicht werden.
In zwei anderen Betriebsarten sind die Kupplungen 126 und 127 eingekuppelt, die Venti
le 121 und 122 sind offen, wodurch die Kompressoren und die Expansionsturbinen
gleichzeitig arbeiten. In einer dieser Betriebsarten, in der die Kompressor-
Strömungsgeschwindigkeit höher ist als die Luftströmungsgeschwindigkeit in den Ex
pansionsturbinen, verbraucht das System elektrische Energie aus der Haupteinrichtung
und erzeugt gleichzeitig Kälte und Druckluft, die den CAES-Behälter füllt. In einer ande
ren dieser Betriebsarten, in der die Kompressor-Strömungsgeschwindigkeit niedriger ist
als die Luftströmungsgeschwindigkeit in der Expansionsturbine arbeitet das System auf
ähnliche Weise, verbraucht jedoch, statt dem Behälter Luft zuzuführen, Luft daraus, um
Kälte und elektrische Energie zu erzeugen.
Im folgenden wird auf Fig. 2 Bezug genommen, die eine Ausführung zeigt, die eine Ab
wandlung der in Fig. 1 dargestellten Ausführung ist. Das System gemäß der Ausführung
in Fig. 2 unterscheidet sich von dem in Fig. 1 hauptsächlich darin, daß anstelle separa
ter Kühler 115 und 116 und Kühleinrichtungen 117 und 118 die gleichen Wärmetauscher
241 und 242 eingesetzt werden, um beide Funktionen zu erfüllen.
Im Kompressionsbetrieb der Ausführung in Fig. 2 sind die Ventile 231, 232, 233 und 221
geöffnet, während die Ventile 222, 234, 236, 237 und 238 geschlossen sind, Kupplung
226 ist eingekuppelt, und Kupplung 227 ist ausgekuppelt. Elektroenergie, die dem Mo
tor-Generator 224 zugeführt wird, treibt die Kompressoren 211 und 212 an, wodurch
durch Lufteinlaß 228 eintretende Luft durch die Kompressoren 211 und 212 strömt, und
die Druckluft tritt durch Ventil 221 in Behälter 223 ein. Wärmetauscher 241 und 242
werden verwendet, um, ähnlich wie der Zwischenkühler und der Nachkühler 115 und
116 in Fig. 1, die aus Expansionsturbine 211 bzw. 212 austretende Luft zu kühlen.
Während der Expansionsbetriebsart sind die Ventile 231, 232, 233 und 221 geschlos
sen, und die Ventile 222, 234, 236, 237 und 238 sind geöffnet. Darüber hinaus ist
Kupplung 227 eingekuppelt, und Kupplung 226 ist ausgekuppelt. Dadurch strömt in Be
hälter 223 gespeicherte Luft durch Ventil 222, Expansionsturbine 213, Wärmetauscher
242, Expansionsturbine 214, Wärmetauscher 241 und tritt anschließend durch Ab
gasauslaß 229 aus. In dieser Betriebsart dienen, ähnlich wie die Kühleinrichtung 117
und 218 in der in Fig. 1 dargestellten Ausführung, Wärmetauscher 241 und 242 als
Kühleinrichtungen. Während des Expansionsbetriebes wird in den Wärmetauschern 241
und 242 Kälte erzeugt, die anschließend wie bei der Ausführung in Fig. 1 genutzt wer
den kann.
Wenn die erzeugte Kälte nicht benötigt wird, oder wenn Elektroenergieverbrauchspit
zenzeiten nicht mit Kältebedarf-Spitzenzeiten zusammenfallen, können die Wärmetau
scher 219 und 242 verwendet werden, um die aus CAES 223 austretende sich ausdeh
nende Luft zu erwärmen, wodurch die Elektroenergieerzeugungskapazität des Systems
verstärkt wird. Die Erwärmung kann in dieser Betriebsart auf die gleiche Weise wie in
der entsprechenden Betriebsart der Ausführung in Fig. 1 ausgeführt werden.
Im folgenden wird auf Fig. 3 Bezug genommen, die ein System gemäß der Kombinati
onsausführung umfaßt. Hinsichtlich der Erläuterung von Bauteilen mit der gleichen
Funktion wie die entsprechenden Bauteile in der Ausführung in Fig. 1 und 2 wird der Le
ser auf die Beschreibung dieser vorangehenden Ausführungen verwiesen.
Das CAES-System in Fig. 3 umfaßt die folgenden drei Untersysteme:
- a) ein Druckluft-Untersystem, das die Kompressoren 311 und 312 umfaßt; Expansi onsturbine 313; Motor-Generator-Einheit 324; Kühler 315 und 316; Druckluftbehäl ter 323; und die dazu gehörenden Bauteile;
- b) Hauptwärmetauscher 347; und
- c) Gasturbinen-Untersystem 348.
Das Gasturbinen-Untersystem umfaßt eine Gasexpansionsturbine 351, Verbrennungs
einrichtung 352, Gasturbinenkompressor 353 und einen Generator 354 auf einer ge
meinsamen Welle mit der Expansionsturbine und dem Kompressor. Die Expansionstur
bine, der Kompressor, die Verbrennungseinrichtung und der Generator können eine
Vielzahl derartiger, in der Technik bekannter Einrichtungen sein.
Der Abgasauslaß 356 von Expansionsturbine 351 ist mit Wärmetauscher 347 verbun
den, der wiederum mit Abgasauslaß 357 verbunden ist. Umgehungsleitung 358, die mit
Ventil 359 versehen ist, ermöglicht das Ableiten von Gasen aus Auslaß 356 direkt zum
Abgasauslaß 357, wenn das Druckluft-Untersystem nicht benötigt wird.
Im Wärmetauscher 347 wird Wärme aus den aus Expansionsturbine 351 austretenden
Gasen auf die aus Behälter 323 austretende, sich ausdehnende Luft übertragen, wo
durch die sich ausdehnende Luft erwärmt wird, und normalerweise lassen sich Parame
ter der Luft erzielen, die einen Druck von 40-70 bar und eine Temperatur von 350-500°C
erreichen.
Einer der Vorteile des Systems gemäß der kombinierten Ausführung besteht darin, daß,
wenn das CAES-Untersystem nicht genutzt werden kann, das gesamte System dennoch
durch den Einsatz des Gasturbinen-Untersystems zur Zufuhr von Elektrizität zur Haupt
einrichtung verwendet werden kann.
Das System der in Fig. 3 dargestellten Ausführung weist drei Betriebsarten auf. In einer
ersten Betriebsart, die im wesentlichen mit der entsprechenden Betriebsart der Ausfüh
rung in Fig. 1 und 2 übereinstimmt, wird der Behälter mit Druckluft gefüllt.
In der zweiten Betriebsart, die während der Elektroenergieverbrauchsspitzenzeiten ver
wendet wird, wird die Druckluft durch Expansionsturbine 313 abgelassen und treibt Mo
tor-Generator-Einheit 324 an, um Elektrizität zu erzeugen. Gleichzeitig wird das Gastur
binen-Untersystem des weiteren zur Erzeugung von Elektrizität eingesetzt. Im Gasturbi
nen-Untersystem wird atmosphärische Luft im Kompressor 353 komprimiert, und mittels
der Verbrennungseinrichtung 352 zugeführtem Kraftstoff wird die Druckluft erwärmt, wo
durch die Gase mit hoher Temperatur Expansionsturbine 351 antreiben, so daß Genera
tor 354 über die gemeinsame Welle von Expansionsturbine 351, Kompressor 353 und
Generator 354 angetrieben wird und Elektrizität erzeugt. Die durch Generator 354 er
zeugte Elektrizität wird anschließend der Hauptenergieeinrichtung zugeführt.
Heiße Abgase, die aus Expansionsturbine 351 austreten, strömen durch Wärmetau
scher 347, und erwärmen die aus Behälter 323 abgelassene Druckluft. Die erwärmte
Luft dehnt sich in Expansionsturbine 313 aus und erzeugt Arbeit, die Motor-Generator-
Einheit 324 antreibt, die der Haupteinrichtung elektrische Energie zuführt.
Gewöhnlich ist die Temperatur der Luft nach dem Passieren von Expansionsturbine 313
niedrig. So kann beispielsweise bei einem Ausgangsluftdruck von 50 bar und einer
Temperatur von 400°C, die Endlufttemperatur bei ungefähr -24°C liegen. Im allgemeinen
kann, durch entsprechende Auswahl von Anfangswerten der Lufttemperatur und des
Drucks eine Temperatur erreicht werden, die unter der Umgebungstemperatur liegt. Da
durch kann die aus Expansionsturbine 313 austretende Abluft durch den Einsatz von mit
den Expansionsturbinen verbundenen Kühleinrichtungen (nicht dargestellt) auf ähnliche
Weise wie in den Ausführungen in Fig. 1 und 2 dargestellt zur Kälteerzeugung genutzt
werden.
In einer dritten Betriebsart ist das Druckluft-Untersystem nicht aktiv, Ventil 359 ist geöff
net, wodurch aus der Expansionsturbine 351 austretende Abgase durch Umgehungslei
tung 358 strömen. In diesem Betriebszustand erzeugt nur eine Gasturbine elektrische
Energie.
Im folgenden wird auf Fig. 4 Bezug genommen, die eine Abwandlung der in Fig. 3 dar
gestellten Ausführung ist. Die Ausführung in Fig. 4 gleicht im wesentlichen der in Fig. 3,
umfaßt jedoch Ventile 466, 467 und 468, die in Luftleitungen 461 oder 462 bzw. 463
eingesetzt sind, und umfaßt des weiteren Strömungswiderstandseinheiten 471 und 472,
die in die Abgasleitung von Expansionsturbine 413 bzw. Lufteinlaßleitung von Kompres
sor 453 eingesetzt sind. Die Ventile 466 und 467 steuern gemeinsam den Strom aus
Behälter 423 austretender Luft durch Wärmetauscher 447. Wenn Ventil 466 geschlos
sen ist, strömt die gesamte aus Behälter 423 austretende Luft durch Wärmetauscher
447, wo sie die Temperatur der der Expansionsturbine 413 zugeführten Luft auf ein Ma
ximum erhöht. Wenn jedoch der Wunsch besteht, auf ähnliche Weise wie bei den Aus
führungen in Fig. 1 und 2 Kälte zu erzeugen, ist es im allgemeinen wünschenswert, die
Luft nicht übermäßig zu erwärmen, und daher wird die sich ausdehnende Luft dazu ge
zwungen, durch Leitung 461 zu strömen und so Wärmetauscher 447 zu umgehen. Die
Ventilsysteme 466 und 467 steuern im wesentlichen die Temperatur von in Expansion
sturbine 413 eintretender Luft und damit die Temperatur der aus Expansionsturbine 413
austretenden Abluft.
Aufgrund der Strömungswiderstandseinheit 471 strömt, wenn Ventilsystem 468 geöffnet
ist, ein Teil der aus Expansionsturbine 413 austretenden Abluft durch Leitung 463 und
vermischt sich mit der in Gasturbinenkompressor 453 eintretenden Luft. Dadurch wird
die Gasturbine mit kalter Luft mit hoher Dichte gespeist, wodurch die Ausgangsleistung
und der Wirkungsgrad der Gasturbine zunehmen. Durch genaue Steuerung des Luft
stroms in Leitung 463 mittels Ventil 468 wird die Temperatur der in Gasturbinenkom
pressor 453 eintretenden Luft genau gesteuert.
Im folgenden wird auf Fig. 5 Bezug genommen, die eine Ausführung zeigt, die der in
Fig. 4 stark ähnelt. Die Ausführung in Fig. 5 unterscheidet sich dahingehend von der
Ausführung in Fig. 4, daß statt der direkten Einleitung von Abluft aus Expansionsturbine
413 in Gasturbinenkompressor 453 diese Abluft durch Wärmetauscher 573 geleitet wird,
wo sie die in Gasturbinenkompressor 553 eintretende Luft kühlt. Diese Ausführung ist
dort von Nutzen, wo es beispielsweise zur Sauerstoffverarmung in dem Behälter kommt,
wie dies der Fall ist, wenn der Behälter ein Aquifer-Speicher ist.
Wie dem Fachmann ohne Zweifel klar ist, sind die hier im obenstehenden Text und den
beigefügten Zeichnungen speziell beschriebenen Ausführungen Beispiele und sollten
nicht einschränkend aufgefaßt werden.
Claims (11)
1. CAES-System mit einem Druckluftspeicherbehälter (123), einer Vielzahl von Luft
kompressorstufen (111, 112) zum Komprimieren von atmosphärischer Luft, Einrich
tungen (115, 116) zum Kühlen von in den Luftkompressorstufen (111, 112) kom
primierter Luft, einer elektrischen Motor-Generator-Einheit (124),
gekennzeichnet durch
- 1. eine Einrichtung zum Separieren von kondensiertem Wasser aus der kompri mierten, atmosphärischen Luft,
- 2. wenigstens eine Luft-Entspannervorrichtung (113, 114) zum Entspannen von komprimierter Luft;
- 3. Wärme-Transfereinrichtungen (117, 118, 119) zum Vorwärmen der komprimier ten Luft vor deren Expansion und zum Erwärmen expandierter Luft, welche aus der Luft-Entspannervorrichtung austritt, wobei Wärme genutzt wird, die aus einer äußeren Niedrigwärmequelle gewonnen wird, wie aus gekühlten Materialien, Umgebungswasser, Umgebungsluft, Müllabwärme und Sonnenenergie, durch Kupplungen (126, 127), mit welchen die elektrische Motor-Generator-Einheit (124) an die Luftkompressorstufen und an die Luftexpansionsvorrichtung an schließbar ist, und durch mit Ventilen (121, 122) versehene Leitungen, mit deren Hilfe die Luftkompressorstufen (111, 112) mit der Luftexpansionsvorrichtung (113, 114) und mit dem Druckluftspeicherbehälter (123) verbunden sind.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen (115, 116)
zum Kühlen von Luft und die Wärme-Transfereinrichtungen (117, 118) als Wärme
tauscher (241, 242) ausgebildet sind, wobei Leitungen mit Ventilen (231, 232, 233,
234, 236, 237, 238) vorgesehen sind, um diese Einrichtungen mit den Luftkom
pressorstufen (111, 112) und mit der Luft-Expansionsvorrichtung (113, 114) zu
verbinden.
3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftkompressorstu
fen (111, 112) und die Luft-Entspannervorrichtung (113, 114) zum gleichzeitigen
Betrieb ausgebildet sind.
4. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetransferein
richtung einen Wärmetauscher (347) aufweist, welcher Wärme aus den Abgasen
einer Gasturbine (348) gewinnt und eine Abgasseite und eine Druckluftseite auf
weist.
5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasseite des
Wärmetauschers (347) eine Bypassleitung (358) mit einem Ventil (359) aufweist,
mit dessen Hilfe der Fluß des Abgases durch den Wärmetauscher steuerbar ist, so
daß die Gasturbine (348) unabhängig zu Zeiten betreibbar ist, zu welchen die Luft-
Entspannervorrichtung (313) inaktiv ist.
6. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckluftseite des
Wärmetauschers (447) eine Bypass-Leitung (461) mit einem Ventil (466) aufweist,
welch letzteres den Fluß von Druckluft durch den Wärmetauscher zu steuern ge
stattet, so daß die Temperatur der in die Luft-Entspannervorrichtung (413) eintre
tenden Luft steuerbar ist.
7. System nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch ein weiteres in Serie mit der
Druckluftseite des Wärmetauschers (447) geschaltetes zusätzliches Ventil (467),
mit dessen Hilfe der Fluß von komprimierter Luft durch den Wärmetauscher ver
bessert steuerbar ist.
8. System nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, mit deren Hilfe
Luft, die in einen Kompressor (453) der Gasturbine (448) eintritt, mit Hilfe von ent
spannter Luft aus der Luft-Entspannervorrichtung (413) kühlbar ist.
9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum
Kühlen von in den Gasturbinenkompressor (453) eintretender Luft eine Leitung
(463) mit einem Ventil (468) aufweist, um Abluft aus der Luft-Entspannervorrich
tung zu einem Einlaßkanal des Gasturbinenkompressors zu transferieren, um das
Mischen von Abluft mit in den Gasturbinenkompressor eintretender Luft zu steuern.
10. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum
Kühlen der in den Gasturbinenkompressor (453) eintretende Luft einen Wärmetau
scher (573) umfaßt, welcher mit Abluft aus der Luft-Entspannervorrichtung (513)
sowie mit in den Gasturbinenkompressor eintretender Luft speisbar ist, um Wärme
aus der Eintrittsluft auf die Abluft zu übertragen und um die Einlaßluft einem Ein
laßkanal des Gasturbinenkompressors zuzuführen.
11. CAES-Verfahren, bei welchem eine Menge atmosphärischer Luft in einer Vielzahl
von Stufen komprimiert und die Luftmenge nach jeder Komprimierungsstufe ge
kühlt wird,
dadurch gekennzeichnet,
- 1. daß kondensiertes Wasser nach dem Komprimieren und Kühlen aus der Luft menge separiert wird,
- 2. daß die Luftmenge gespeichert wird,
- 3. daß die Luftmenge in einer Vielzahl von Stufen entspannt wird, wobei von der Luftmenge Arbeit abgegeben wird, und
- 4. daß die Luftmenge vor dem Entspannen vorgewärmt wird und nach jeder Ent spannungsstufe wiedererwärmt wird unter Nutzung von Wärme, die aus einer äußeren Niedrigwärmequelle stammt, welche gekühlte Substanzen, Umge bungswasser, Umgebungsluft, Müllabwärme und Solarenergie umfaßt.
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