DK172351B1 - Anlæg og fremgangsmåde til lagring af energi med statisk tryk - Google Patents

Description

- 1 - DK 172351 B1

Opfindelsen angår et anlæg til lagring og genvinding af energi ved hjælp af fluider, såsom væsker, bestående af et øvre opbevaringsrum for et fluidum, et nedre opbevaringsrum for et fluidum, der er placeret under det øvre opbevaringsrum, en forbindelsesledning mellem den nedre del af det øvre opbeva-5 ringsrum og den nedre del af det nedre opbevaringsrum og en pum- pe/turbineenhed.

Et sådant anlæg er velkendt (DE-C-215 657). I det kendte anlæg består det øvre opbevaringsrum af en sø beliggende på et højt sted, og det nedre opbevaringsrum består af en sø beliggende på et lavere sted eller af en underjordisk io hule. Desuden er pumpe/turbineenheden i det kendte anlæg monteret i forbin delsesledningen og placeret i samme højde som det nedre opbevaringsrum for under normal drift af kunne pumpe en væske fra det nedre opbevaringsrum til det øvre opbevaringsrum eller for at blive drevet af den væske, som løber tilbage fra det øvre opbevaringsrum til det nedre opbevaringsrum. is Normalt drives pumpen i et sådant anlæg af en elektromotor, som er for bundet med en elektrisk ledning til et elektrisk ledningsnet, og turbinen driver så en elektrisk generator, som også er forbundet med en elektrisk ledning til et elektrisk ledningsnet. Et sådant anlæg muliggør brug af overskydende elektrisk energi til at pumpe væske til det øvre opbevaringsrum, medens en mangel på 2o elektrisk energi kan suppleres med elektrisk energi leveret af den elektriske generator, som drives af turbinen, som selv drives af væske, som løber tilbage til det nedre opbevaringsrum.

Da pumpe/turbineenheden er monteret nær det nedre opbevaringsrum, vil det, hvis det nedre opbevaringsrum er en underjordisk hule, være påkrævet 25 udover dette opbevaringsrum at lave et særskilt rum til pumpe/turbineenheden og at lave en særskilt skakt gennem hvilken der føres en elektrisk ledning af tilstrækkelig størrelse til at lede den elektriske energi til elektromotoren og fra den elektriske generator. Dette gør et sådant anlæg meget dyrt.

Det er opfindelsens formål at overvinde denne ulempe.

3o Derfor er anlægget til lagring og genvinding af energi ifølge opfindelsen karakteriseret ved at det øvre opbevaringsrum i det mindste delvist er fyldt med et fluidum, som har en forholdsvis lav massefylde (det lette fluidum), at det nedre opbevaringsrum er i det mindste delvist fyldt med et fluidum, som har e n forholdsvis høj massefylde (det tunge fluidum), hvilke fluida er vanskeligt eller 35 slet ikke blandbare med hinanden, at forbindelsesledningen er fyldt med det tunge fluidum, og at pumpe/turbineenheden er anbragt i cirka samme højde som eller over det øvre opbevaringsrum, idet pumpe/turbineenheden er for- - 2 - DK 172351 B1 bundet med den øvre del af det øvre opbevaringsrum og med den øvre del af det nedre opbevaringsrum med henblik på under normal drift at kunne pumpe let fluidum fra det øvre opbevaringsrum til det nedre opbevaringsrum eller med henblik på at blive drevet af let fluidum, som strømmer fra det nedre opbeva-5 ringsrum til det øvre opbevaringsrum.

I en fordelagtig udformning af opfindelsen er det nedre opbevaringsrum et underjordisk rum. Dette kan dannes i enhver hård klippe. En særlig velegnet klippe er en saltklippe. Den har den fordel, at det underjordiske rum kan dannes ved at opløse saltet.

ίο I tilfælde af meget store mængder kan det være mere fordelagtigt, hvis det øvre opbevaringsrum ligeledes er et underjordisk rum. I det tilfælde er det fordelagtigt at danne begge underjordiske opbevaringsrum i saltklippen.

Opfindelsen angår også en fremgangsmåde til lagring og genvinding af energi ved hjælp af anlægget ifølge opfindelsen, som er kendetegnet ved føl-i5 gende trin: a) pumpning af let fluidum fra det øvre opbevaringsrum til det nedre opbevaringsrum, som i det mindste er delvist fyldt med tungt fluidum, ved hjælp af pumpe/turbineenheden, hvilket resulterer i, at det tunge flui- 2o dum bliver flyttet fra det nedre opbevaringsrum og via forbindelsesled ningen flyder til det øvre opbevaringsrum; b) afbryde pumpning af let fluidum; c) muliggøre at let fluidum, som fortrænges fra det nedre opbevaringsrum, kan løbe tilbage til det øvre opbevaringsrum ved, at tungt fluidum via for- 25 bindelsesledningen løber tilbage fra det øvre opbevaringsrum, d) lade det tilbageløbende lette fluidum drive pumpe/turbineenheden; e) afbryde det lette fluidums tilbageløb.

Det skal forstås, at de i beskrivelsen og i kravene anvendte ord "pumpe” og 30 "turbine” også kan kaldes henholdsvis "kompressor" og "expander".

Opfindelsen vil i det følgende blive beskrevet mere detaljeret ved hjælp af eksempler under henvisning til tegningen, på hvilken der vises et skematisk deltværsnit af anlægget.

Anlægget til lagring og genvinding af energi består af et øvre underjor-3$ disk opbevaringsrum 1 dannet i en saltkuppel 2, som er beliggende under et jordlag 3, et nedre underjordisk opbevaringsrum 5, som er beliggende i saltkuplen 2 under det øvre opbevaringsrum 1 og en forbindelsesledning 6 i form - 3 - DK 172351 B1 af et delvist buet udvasket borehul mellem den nedre del af det øvre opbevaringsrum 1 og den nedre del af det nedre opbevaringsrum 5.

Anlægget består ydermere af en pumpe/turbineenhed 8, som er placeret i terrænhøjde 7 over det øvre opbevaringsrum 1, idet pumpe/turbineenheden s består af en pumpe 9, som via en aksel 10 er forbundet til en elektromotor 13, og en turbine 14, som via en aksel 15 er forbundet til en elektrisk generator 16.

Pumpe/turbineenheden 8 er forbundet til den øvre del af det øvre opbevaringsrum 1 ved en første ledning 17 og til den øvre del af det nedre opbevaringsrum ved en anden ledning 18. Den første ledning 17 består af et borehul io forsynet med et rør 19, og den anden ledning 18 består af et borehul forsynet med et rør 20.

Elektromotoren 13 er via en elektrisk ledning (ikke vist) forbundet til et elektrisk ledningsnet (ikke vist) for at trække elektrisk energi derfra, og den elektriske generator 16 er via en elektrisk ledning (ikke vist) forbundet til is det elektriske ledningsnet for at levere elektrisk energi dertil.

Det øvre opbevaringsrum 1 er i det mindste delvist fyldt med et fluidum, der har en forholdsvis lav massefylde (det lette fluidum), nemlig en saltvandsopløsning 22 med en massefylde på 1200 kg/m3, og det nedre opbevaringsrum 5 med et fluidum, der har en forholdsvis høj massefylde (det tunge fluidum), 2o nemlig boremudder 23 med en massefylde på 1850 kg/m3. Det lette fluidum fin des ligeledes i den første ledning 17, pumpe/turbineenheden 8, den anden ledning 18 og den øvre del af det nedre opbevaringsrum 5; og det tunge fluidum findes ligeledes i forbindelsesledningen 6 og i den nedre del af det øvre opbevaringsrum 1. Nummerbetegnelsen 24 henviser til grænsefladen mellem de to 25 fluida i det øvre opbevaringsrum 1 og nummerbetegnelsen 25 til grænsefladen mellem de to fluida i det nedre opbevaringsrum 5.

Indløbet til pumpen 9 er forbundet med den første ledning 17 ved hjælp af et indløbsrør 26, som er forsynet med en lukkeventil 27, og udløbet til pumpen 9 er forbundet med den anden ledning 18 ved et afgangsrør 28, som er forsynet 3o med en lukkeventil 29.

Indløbet til turbinen 14 er forbundet med den anden ledning 18 ved hjælp af et indløbsrør 30, som er forsynet med en lukkeventil 31, og udløbet til turbinen 14 er forbundet til den første ledning 17 ved et afgangsrør 32, som er forsynet med en lukkeventil 33.

35 I den stationære tilstand, som er vist på figuren, er lukkeventileme 27, 29, 31 og 33 lukkede.

- 4 - DK 172351 B1

Hvis der er overskud af elektrisk energi, ledes denne til elektromotoren 13 med henblik på at drive pumpen 9, og lukkeventilerne 27 og 29 åbnes, således at det lette fluidum pumpes fra det øvre opbevarings rum 1 til det nedre opbevaringsrum 5 via den første ledning 17, pumpen 9 og den anden ledning 18. Dette s resulterer i, at det tunge fluidum fjernes fra det nedre opbevaringsrum 5 og via forbindelsesledningen 6 ledes til det øvre opbevaringsrum 1. Dette vil medføre en stigning i grænsefladen 24.

Når mængden af tungt fluidum i det øvre opbevaringsrum 1 er til s trækkelig stor, standses pumpningen af let fluidum ved afbrydelse af pumpen 9 og io lukning af lukkeventilerne 27 og 29.

Når den oplagrede energi skal genvindes, fx. i tilfælde af stort behov for elektrisk energi, vil kun lukkeventilerne 31 og 33 blive åbnet. Let fluidum, som drives af det tunge fluidum, vil flyde tilbage fra det nedre opbevaringsrum 5 til det øvre opbevaringsrum 1 via den anden ledning 18, turbinen 14 og den første is ledning 17, og tungt fluidum vil via forbindelsesledningen 6 flyde tilbage fra det øvre opbevaringsrum 1 til det nedre opbevaringsrum 5. Det tilbageløbende lette fluidum driver turbinen 14, og denne driver den elektriske generator 16, som producerer elektrisk energi, som kan tilføres det elektriske ledningsnet.

Når der er løbet tilstrækkelig tungt fluidum fra det øvre opbevaringsrum 20 1, afbrydes det lette fluidums tilbageløb ved aflukning af lukkeventilerne 31 og 33. Anlægget vil herefter påny befinde sig i den stationære tilstand. Når det lette fluidum tilbageløb afbrydes, må fluidumtrykket ved lukkeventilen 31 og højdeforskellen mellem grænse fladerne 24 og 25 være således, at fluidumtrykket ved lukkeventilen 33 forbliver lidt højere end atmosfæretrykket, således at 25 forsyningen med let fluidum til pumpen er sikret, når det lette fluidum pumpes ud af det øvre opbevaringsrum 1.

Det er herefter muligt at gentage lagringsprocessen for energien, og derefter genvinde denne i overensstemmelse med den ovenfor anførte frem gangsmåde.

30 For at forhindre at saltblokke fra tagene på opbevaringsrummene 1 og 5 blokerer forbindelsesledningen 6, er anlægget ydermere forsynet med slamfang 34 og 35.

I det ovenfor beskrevne anlæg, er pumpe og turbine adskilt, men pum-pe/turbineenheden kan ligeledes bestå af en hydraulisk maskine, som kan fun-35 gere både som pumpe (eller kompressor) og som turbine, hvilken hydraulisk maskine er forbundet med en elektrisk maskine, som kan fungere både som motor og generator.

• - 5 - DK 172351 B1

For at forhindre at det lette fluidum bliver for varmt under driften af anlægget, kan dette forsynes med en varmeveksler (ikke vist) med henblik på afkøling af det lette fluidum.

Det øvre opbevaringsrum kan ligeledes være placeret i terrænhøjde, fx. i 5 form af en over jorden placeret opbevaringsbeholder eller en sø. I det tilfælde, vil den over jorden placerede pumpe/turbineenhed være i cirka samme højde som det øvre opbevaringsrum.

Det lette fluidum kan også være et andet fluidum end en saltvandsopløsning, fx. flaskegas eller olie. Vand kan også anvendes, især hvis den underjor-lo diske del af anlægget er placeret i en klippe, som ikke er berørt af vand.

Der opnås en meget betydelig forskel i det lette og tunge fluidums massefylde, hvis det lette fluidum er en gasart, som fx. nitrogen eller kuldioxid.

Det tunge fluidum er fortrinsvis et fluidum, som fx. en saltvandsopløsning, boremudder eller en dispersion af sand eller flyveaske i en saltvandsopløsning, is Ifølge opfindelsen er de to fluida vanskeligt eller slet ikke opløselige i hinanden. For imidlertid at undgå blanding kan der også ind skydes mellemliggende lag mellem de to fluida ved grænsefladerne 24 og 25. Massefylden for materialet i de således mellemliggende lag er højere end massefylden for det lette fluidum og lavere end massefylden for det lette fluidum, og materialet bør 20 være af en sådan beskaffenhed, at materialet og enhver af de to fluida vanskeligt eller slet ikke er opløselige i hinanden.

Freon er et passende materiale. Det er handelsnavnet for en gruppe stoffer, som består af etan eller metan, i hvilke et eller flere brint atomer er erstattet af fluor eller chlor. Et andet passende materiale er en blanding af diesel-25 olie og freon, eller en opløsning af polyvinylchlorid i et passende opløsningsmiddel, fx. tetrahydrofuran eller metyl chlorid.

Materialet i de mellemliggende lag kan ligeledes være slam, fx. partikler af polyvinylchlorid i dieselolie eller hæmatit i dieselolie med oliesyre som overfladeaktivt stof til fugtning af hæmatitpartiklerne.

30 Det mellemliggende lag kan ligeledes bestå af et lag polyvinylchloridpar- tikler.

En passende anlæg til lagring og genvinding af 100 MW elektrisk kraft har under jorden placerede opbevaringsrum på ca. 5xl05 m3 til 6xl05 m\ idet højdeforskellen mellem opbevaringsrummene er ca. 1000 m, og det lette fluidums 35 massefylde er 1200 kg/m3, og det tunge fluidums er 1850 kg/m3. Med henblik på at mindske hydrauliske tab, bør forbindelsesledningens og den første og anden lednings passager være så brede som muligt, mindst 3m2.

- 6 - DK 172351 B1 I stedet for en elektromotor 13 til drift af pumpen 9, kan systemet ligeledes bestå af en turbine (ikke vist) til drift af pumpen 9. Turbinen drives af trykgas, fx. naturgas.

Som allerede diskuteret i det foregående, vil en fordelagtig udformning af s opfindelsen bestå i brug af en gasart, som fx. luft, og et fluidum, som fx. en saltvandsopløsning som henholdsvis det lette og tunge fluidum.

Når der anvendes en expander, viser det sig, at mængden af den luft, der strømmer fra det nedre opbevaringsrum til det øvre opbevaringsrum, stiger betragteligt ved expanderens lavtryksudløb. io Herefter kan en del af den udvidede luft bruges i en gængs tryk lufts energilagringsenhed, som er beliggende ved jordoverfladen.

En anden fordelagtig mulighed er at lagre (en del af) den udvidede luft i et andet sæt under jorden placerede opbevaringsrum.

På denne måde fremskaffes en kompensation for gasudvidelse, is

Claims (10)

1. Anlæg til lagring og genvinding af energi under anvendelse af fluider bestående af et øvre opbevaringsrum for et fluidum, et nedre opbevaringsrum 5 for et fluidum, der er placeret under det øvre opbevaringsrum, en forbindelsesledning mellem den nedre del af det øvre opbevaringsrum og den nedre del af det nedre opbevaringsrum og en pumpe/turbineenhed, kendetegnet ved, at det øvre opbevaringsrum i det mindste delvist er fyldt med et fluidum, som har en forholdsvis lav massefylde (det lette fluidum), at det nedre opbevarings-lo rum er i det mindste delvist fyldt med et fluidum, som har en forholdsvis høj massefylde (det tunge fluidum), hvilke fluida er vanskeligt eller slet ikke blandbare med hinanden, at forbindelsesledningen er fyldt med det tunge fluidum, og at pumpe/turbineenheden er anbragt i cirka samme højde som eller over det øvre opbevaringsrum, idet pumpe/turbineenheden er forbundet med is den øvre del af det øvre opbevaringsrum og med den øvre del af det nedre opbevaringsrum med henblik på under normal drift at kunne pumpe let fluidum fra det øvre opbevaringsrum til det nedre opbe varingsrum eller med henblik på at blive drevet af let fluidum, som strømmer fra det nedre opbevaringsrum til det øvre opbevaringsrum. 2o 2. Anlæg ifølge krav 1, kendetegnet ved, at det nedre opbevaringsrum er placeret under jorden.

3. Anlæg ifølge krav 2, kendetegnet ved, at det øvre opbevaringsrum e r placeret under jorden.

4. Anlæg ifølge krav 2 og 3, kendetegnet ved, at pumpe/ turbineenheden 25 er placeret over det øvre opbevaringsrum.

3. Anlæg ifølge ethvert af kravene 1-3, kendetegnet ved, at pumpe/turbineenheden er placeret på eller tæt på jordoverfladen.

6. Anlæg ifølge ethvert af kravene 1-5, kendetegnet ved, at det lette fluidum er en gasart, fx. kuldioxid eller nitrogen. 3o 7. Anlæg ifølge ethvert af kravene 1-5, kendetegnet ved, at det lette flui dum er en væske, fx. flaskegas, olie, vand eller en saltvandsopløsning.

8. Anlæg ifølge ethvert af kravene 1-7, kendetegnet ved, at det tunge fluidum er en væske, fx. en saltvandsopløsning, boremudder eller en dispersion af sand eller flyveaske i en saltvandsopløsning.

9. Anlæg ifølge ethvert af kravene 1-8, kendetegnet ved, at de to fluida er adskilt fra hinanden ved et mellemliggende lag af et materiale med en masse- - 8 - DK 172351 B1 fylde, der ligger mellem fluidaenes massefylde, og i hvilket materiale de to fluida vanskeligt eller slet ikke kan opløses.

10. Anlæg ifølge krav 9, kendetegnet ved, at det mellemliggende lags mate riale er et fluidum, fx. freon, en blanding af diesel olie og freon eller en poly- 5 vinylchloridopløsning i et passende opløsningsmiddel, fx. tetrahydrofuran eller metylchlorid.

11. Anlæg ifølge krav 9, kendetegnet ved, at det mellemliggende lags materiale er slam, fx. polyvinylchloridpartikler i dieselolie eller hæmatit i dieselolie med oliesyre. io 12. Anlæg ifølge krav 9, kendetegnet ved, at det mellemliggende lag består af polyvinylchloridpartikler.

13. Fremgangsmåde til lagring og genvinding af energi, hvor der anvendes et anlæg ifølge ethvert af kravene 1-12, kendetegnet ved følgende trin: is a) pumpning af let fluidum fra det øvre opbevaringsrum til det nedre opbe varingsrum, som i det mindste er delvist fyldt med tungt fluidum, ved hjælp af pumpe/turbineenheden, hvilket resulterer i, at det tunge fluidum bliver flyttet fra det nedre opbevaringsrum og via forbindelsesledningen flyder til det øvre opbevaringsrum; 20 b) afbryde pumpning af let fluidum; c) muliggøre at let fluidum, som fortrænges fra det nedre opbevaringsrum, kan løbe tilbage til det øvre opbevaringsrum ved, at tungt fluidum via forbindelsesledningen løber tilbage fra det øvre opbevaringsrum, d) lade det tilbageløbende lette fluidum drive pumpe/turbineenheden; 25 e) afbryde det lette fluidums tilbageløb.