DE4410440C2

DE4410440C2 - Druckluftenergiespeicherverfahren und -system

Info

Publication number: DE4410440C2
Application number: DE4410440A
Authority: DE
Inventors: Isaac Shnaid; Dan Weiner; Shimshon Brokman
Original assignee: Israel Electric Corp Ltd
Current assignee: Israel Electric Corp Ltd
Priority date: 1994-02-03
Filing date: 1994-03-25
Publication date: 1999-09-23
Anticipated expiration: 2014-03-26
Also published as: JP3178961B2; DE4410440A1; US5537822A; IL108546A0; JPH07224679A; IL108546A

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.

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.

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.

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.

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

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.