EP2724017A1 - Pumpspeicherkraftwerk - Google Patents

Pumpspeicherkraftwerk

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EP2724017A1
EP2724017A1 EP12729581.4A EP12729581A EP2724017A1 EP 2724017 A1 EP2724017 A1 EP 2724017A1 EP 12729581 A EP12729581 A EP 12729581A EP 2724017 A1 EP2724017 A1 EP 2724017A1
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EP
European Patent Office
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reservoir
pressure
liquid
power plant
gas
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12729581.4A
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English (en)
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Inventor
Armin Dadgar
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Individual
Original Assignee
Individual
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Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP2724017A1 publication Critical patent/EP2724017A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B13/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates
    • F03B13/06—Stations or aggregates of water-storage type, e.g. comprising a turbine and a pump
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D9/00—Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
    • F03D9/10—Combinations of wind motors with apparatus storing energy
    • F03D9/17—Combinations of wind motors with apparatus storing energy storing energy in pressurised fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B3/00—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto
    • F03B3/10—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto characterised by having means for functioning alternatively as pumps or turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/90—Mounting on supporting structures or systems
    • F05B2240/97—Mounting on supporting structures or systems on a submerged structure
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/20—Hydro energy
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/16—Mechanical energy storage, e.g. flywheels or pressurised fluids
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E70/00—Other energy conversion or management systems reducing GHG emissions
    • Y02E70/30—Systems combining energy storage with energy generation of non-fossil origin

Definitions

  • the invention relates to a pumped storage power plant with at least one first reservoir, with a second reservoir, with a flow path connecting the at least one first reservoir to the second reservoir, for a liquid within which a mechanically driven generator for electrical energy is arranged.
  • Pumped storage power plants are usually used for intermediate storage of electrical energy and take in view of the increasing importance of renewable energy sources, such as wind and sun, which produce discontinuous energy, an increasing importance to ensure a continuous power supply.
  • the invention has for its object to provide an energy storage, which is not dependent on large differences in height, which has a high storage capacity with relatively little space and good efficiency.
  • the object is achieved by a pumped storage power plant with the features mentioned in claim 1.
  • the pumped storage power plant with at least a first memory, with a second memory, with a at least a first memory with the second memory connecting flow path, for a liquid, within which a mechanically driven generator for electrical energy is arranged
  • the at least one first reservoir comprises a pressure-tightly sealed cavity which is partially filled with liquid
  • the non-liquid-filled region of the at least one first reservoir is filled with a gas under pressure Pi, wherein the pressure Pi is greater than a pressure P 2 in the second memory
  • the mechanically driven electrical energy generator is arranged in the flow path that it pressure-tightly separates the at least one first memory of the second memory, a flow direction from the at least one first memory to the second memory releases or as a printer generator releases a flow direction from the second memory to the
  • the gas under the pressure Pi is enclosed in a pressure-tight manner. With the flow path released, this gas acts on the liquid which can thus flow through the mechanically driven electrical energy generator so that it can generate energy in a manner known per se.
  • the mechanically driven generator is for example a turbine.
  • this device can separate the two memory pressure-tight from each other, if neither energy to be generated nor a backfilling of the first memory takes place.
  • this device can work as a pressure generator, namely, when excess energy to charge the at least one first memory to be used.
  • the mechanically driven generator for electrical energy can also consist of several components, which then take over the individual functions required. For example, a slide, valve or the like may be provided, via which the pressure-tight separation takes place. Energy generating device and pressure generating device may also be separate units.
  • the basic principle of the storage power plant according to the invention with a liquid as a working medium is the utilization of a pressure difference in the absence or only slight difference in height of a system of two containers or a container and a reservoir.
  • This pressure difference is much higher, that is at least 50% higher than achievable by the possibly existing height difference of the system. This is achieved by means of a gas pressure on a liquid, which is then given by the liquid at the same or almost the same height level.
  • a liquid in a closed container, a liquid is under high pressure, which is generated by a compressed gas. This compensates for a missing or too small height difference and thus also allows the ground-level construction of an energy storage device.
  • gases that are not or only slightly warm by compression and cool only slightly during expansion. So occurs z. B. when using hydrogen or helium due to the very low inversion temperature of these gases, the opposite effect, since the gas heats up during expansion.
  • a closed container which has no appreciable gas losses, another gas or gas mixture used as air and energy losses are minimized by the compression of the gas.
  • a system of two interconnected containers can be used, between which z. B. water pumped back and forth or used for energy production and storage.
  • the lower pressure part may also be a lake, sea. ocean, watercourse or an open basin.
  • compressed air can be introduced, so the compression does not happen by pumping in water, but by the introduction of compressed air. So this is necessary at least during commissioning, if you want to come to significant operating pressures because z. B. in a configuration with 50% water and 50% gas filling only an overpressure of 1 bar would be achieved if you simply pumped the water.
  • the gas reservoir can also be located next to the water tank and connected to this via a pipe. This would facilitate maintenance and the use of special gases, since in such a case, the water, if a separating slide between the containers is present, can be drained without pressure loss. After the maintenance, the water is simply refilled. Then it is then charged again with the pressure of the gas. For operation, a large line cross-section is preferred in order to minimize friction losses between the containers.
  • a combination of the energy storage is provided with a heat storage.
  • the liquid can be used with the use of well-insulated reservoirs to store heat energy, which can be used for cooling in summer and heating in winter. This is especially interesting near houses or industrial plants, less so when the store is near at the place of power generation, z. B. with wind power, is set up, since they are usually at a distance to possible heat consumers.
  • the method can be implemented in many locations and configurations.
  • the pressure vessel can be laid both above and below ground, the pressure-poorer reservoir also and the arrangement to each other, next to, above or below each other.
  • the pressure vessel is ideally realized as a ball or cylinder with hemispherical ends. However, it can also have any other shapes. Specifically, when installed underground in natural cavities or artificial tunnels, the supporting rock must be sealed only by a thinner outer wall.
  • Ideal for long-term use is a gas-tight and watertight seal of the pressure vessel. This can be done with many materials, such. B. with a film material on a supporting surface or by means of synthetic resins. The latter can z. B. with carbon fiber mats realize a pressure-resistant container, which is optionally surrounded outside with another supporting and protective material.
  • the former solution requires a carrier, this can, for. B. a stud and / or a reinforced concrete shell and / or a metal or composite solution such as fiber-reinforced materials. But also metal containers can be used.
  • a water reservoir sealed at the bottom is provided with a traction-absorbing roof which either covers the surface or, by means of intermediate supports, absorbs the weight of the roof or the tensile forces created by an overpressure. From a safety point of view, however, at high pressures spherical or cylindrical or consisting of such elements containers, unless the pressures are not z. B. be caught in the rock or other carrier, preferable.
  • the invention is useful in principle as an air-water system up to a pressure of about 830 bar.
  • the density of the air reaches the same or higher value than water and the energy content of the storage is then comparably high, that is, the use of water is, apart from the use as a heat reservoir for the expansion and compression process unnecessary. Nevertheless, even at such high pressures, the expansion losses of the gas are significant and water as the carrier at an advantage. Since currently such large pressures can not be safely implemented, the combination of liquid-gas pressure or liquid-pressure gas is advantageous due to the higher efficiency compared to purely gas-powered storage solutions.
  • Figure 1 a an embodiment with two adjacent containers as
  • Figure 1 b shows an embodiment with two containers underground
  • Figure 2a shows an embodiment with superimposed arrangement
  • Figure 2b shows an embodiment with each other lying arrangement
  • 3a shows a first embodiment as a pure gas storage supplemented by a liquid storage
  • Figure 3b shows a further embodiment as a pure gas storage supplemented by a
  • Figure 4 shows another embodiment of the container or memory.
  • FIG. 1 a illustrates a possible embodiment. So here two adjacent containers 101 and 102 are shown as a memory H- ⁇ with a pressure Pi and memory H 3 with a pressure P 2 , which are connected to each other by means of a line (pipe) 103 and a unit 104 for power generation or pumping , In this unit 104 may also be installed a control valve, but this is also possible elsewhere in the line 103.
  • the container 101 is closed, the container 102 is designed with an opening 105.
  • Figure 1 b shows an embodiment with two containers 101 and 102 underground.
  • Figure 2a shows a possibility of superimposed arrangement.
  • the container 201 is arranged as a memory H-1 with a pressure P 2 above the container 202 as a memory H 3 with a pressure P 2 , wherein over one or more elements 204 energy can be gained or stored in memory H- ⁇ .
  • FIG. 2b Another embodiment is the structure of the memories around each other, as shown in Figure 2b.
  • z. B. to a container 21 1 as memory Hi with the pressure Pi a second shell 212 as a memory H 3 with the pressure P 2 placed at a greater distance and the liquid between inner and outer space via one or more elements 214 reciprocated back and forth , So here is z.
  • the inner sphere is designed with a radius of about 20 m, the outer with a radius of about 25 m, to achieve the same volume in both areas.
  • a reservoir H can also have two containers 301 under high pressure, which-as already explained-offer advantages with regard to maintenance work.
  • the memory Hi with the pressure Pi as a pure gas storage supplemented by a liquid storage H 2 with the pressure Pi, the z. B. via a line 303 and one or more energy generator or storage elements 304, the liquid can flow to another container 302 as a memory H 3 with the pressure P 2 or can pump.
  • FIG. 3b An analogous embodiment is shown in FIG. 3b, but here with an open natural reservoir as a reservoir R 2 with the pressure P 2 in the form of, for example, a lake 306.
  • the advantage of a closed system is the prevention of contamination of the water, eg. B. by aquatic plants, branches or other occurring in natural waters objects.
  • both containers can in principle be closed or shaped differently, as shown in FIG.
  • a reservoir 401 or reservoir Hi can have a high pressure Pi (eg 100 bar) and a reservoir 402 can have a low pressure P 2 (eg 1 bar) as reservoir H 3 .
  • the pressure in the container 401 drops (eg to approximately 50 bar) and rises in the container 402 (eg to approximately 2 bar).
  • the gas can be separated from the liquid by an elastic membrane 405 or a balloon or balloon-like container, in order, for. For example, it is necessary to minimize the diffusion of gas into the liquid and thus pressure losses.
  • the reservoirs can be realized underground, above ground, in or partly in a body of water or even partly under ground.
  • a compact memory which is continuously filled by a pump, which is fed from the power supply and continuously generates power through a generator as a buffer in case of voltage fluctuations, as well as short supply fluctuations as an energy buffer, as well as power failure in the buffer to the operation of a emergency generator. Since the pressure in the tank can remain virtually constant during normal supply from the power grid, an energy-efficient decoupling of the power grids and short-term buffering is thus easily possible. Due to the short pipelines low friction losses of the system are possible here. Only the respective efficiencies of the pumps and turbine unit are essential to the overall efficiency of the system, other factors are almost negligible.
  • the energy store according to the invention can be realized with all liquids and gases which have no undesired reactions with one another or with the container and generator. So you can in principle achieve a higher storage density at the same volume when using heavy liquid metals such as gallium, mercury or alloys such as Galinstan. However, these metals are expensive, sometimes toxic and currently difficult to use economically in large quantities.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Pumpspeicherkraftwerk mit mindestens einem ersten Speicher (H1, H2), mit einem zweiten Speicher (H3), mit einem den mindestens einen ersten Speicher (H1, H2) mit dem zweiten Speicher (H3) verbindenden Strömungsweg (303), für eine Flüssigkeit, innerhalb dessen ein mechanisch angetriebener Erzeuger (104, 204, 304, 214, 404) für elektrische Energie angeordnet ist. Es ist vorgesehen, dass der mindestens eine erste Speicher (H1, H2) einen druckdicht verschlossenen Hohlraum (101, 201, 301, 401) umfasst, der teilweise mit Flüssigkeit gefüllt ist, der nicht mit Flüssigkeit gefüllte Bereich des mindestens einen ersten Speichers (H1, H2) mit einem unter Druck (P1) stehenden Gas befüllt ist, wobei der Druck (P1 ) größer ist als ein Druck (P2) in dem zweiten Speicher (H3), der mechanisch angetriebene Erzeuger (104, 204, 214, 304, 404) für elektrische Energie derart in dem Strömungsweg angeordnet ist, dass er entweder den mindestens einen ersten Speicher (H1, H2) von dem zweiten Speicher (H3) druckdicht trennt, eine Durchflussrichtung von dem mindestens einen ersten Speicher (H1, H2) zu dem zweiten Speicher (H3) freigibt oder als Druckerzeuger eine Durchflussrichtung von dem zweiten Speicher (H3) zu dem wenigstens einen ersten Speicher (H1, H2) freigibt.

Description

Pumpspeicherkraftwerk
Die Erfindung betrifft ein Pumpspeicherkraftwerk mit mindestens einem ersten Speicher, mit einem zweiten Speicher, mit einem den mindestens einen ersten Speicher mit dem zweiten Speicher verbindenden Strömungsweg, für eine Flüssigkeit, innerhalb dessen ein mechanisch angetriebener Erzeuger für elektrische Energie angeordnet ist.
Pumpspeicherkraftwerke dienen meist der Zwischenspeicherung elektrischer Energie und nehmen angesichts der steigenden Bedeutung regenerativer Energieträger, wie Wind und Sonne, welche unstetig Energie produzieren, eine wachsende Bedeutung ein, um eine kontinuierliche Stromversorgung sicherzustellen.
Bisherige Konzepte basieren häufig auf Wasser, welches meist von einem hochgelegenen Speicherbecken in ein tiefer gelegenes Reservoir unter Erzeugung von Strom geleitet wird und in Zeiten des Energieüberflusses Wasser in das höher gelegene Reservoir pumpt. Da geeignete geologische Formationen in vielen Regionen nur begrenzt zur Verfügung stehen, ist ein weiterer Ausbau solcher Speicher nicht einfach möglich. Alternativ dazu nimmt man druckluftgefüllte unterirdische Speicher in die engere Wahl zur Energiespeicherung. Auch gibt es die Idee, ein Gewicht mittels Wasser anzuheben und die gespeicherte Energie wieder mittels Wasserturbinen zurückzugewinnen. Hier sind es vor allen Dingen Dichtungs- und Reibungsprobleme, die einen solchen Aufbau in großem Maßstab verhindern. Auch sind die erzielbaren Drücke durch Gewichte eher gering. Vorteil einer solchen Ausführung ist der konstante Druck, der bei druckluftbasierten Systemen nicht möglich ist.
Bei Gasspeichern gibt es mehrere Probleme, z. B. mögliche Verluste durch Undichtigkeiten des meist natürlichen Speichers, große Verluste bei der Kompression und Entspannung des Gases und aufgrund des relativ geringen Energiegehalts von komprimierter Luft ein großer Volumenbedarf oder sehr hohe Drücke. Hinzu kommen bei unterirdischer Lagerung mögliche Auswirkungen durch die im Betrieb auftretenden Druckwechsel auf das Gestein, welche im schlimmsten Fall eine Zerstörung des Speichers zur Folge haben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Energiespeicher zu schaffen, der nicht auf große Höhenunterschiede angewiesen ist, der eine hohe Speicherfähigkeit bei relativ geringem Platzbedarf und einen guten Wirkungsgrad hat. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Pumpspeicherkraftwerk mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Dadurch, dass das Pumpspeicherkraftwerk mit mindestens einem ersten Speicher, mit einem zweiten Speicher, mit einem den mindestens einen ersten Speicher mit dem zweiten Speicher verbindenden Strömungsweg, für eine Flüssigkeit, innerhalb dessen ein mechanisch angetriebener Erzeuger für elektrische Energie angeordnet ist, umfasst, wobei der mindestens eine erste Speicher einen druckdicht verschlossenen Hohlraum umfasst, der teilweise mit Flüssigkeit gefüllt ist, der nicht mit Flüssigkeit gefüllte Bereich des mindestens einen ersten Speichers mit einem unter Druck P-i stehenden Gas befüllt ist, wobei der Druck P-i größer ist als ein Druck P2 in dem zweiten Speicher, der mechanisch angetriebene Erzeuger für elektrische Energie derart in dem Strömungsweg angeordnet ist, dass er entweder den mindestens einen ersten Speicher von dem zweiten Speicher druckdicht trennt, eine Durchflussrichtung von dem mindestens einen ersten Speicher zu dem zweiten Speicher freigibt oder als Druckerzeuger eine Durchflussrichtung von dem zweiten Speicher zu dem wenigstens einen ersten Speicher freigibt, ist vorteilhaft möglich, unabhängig von einem Gefälle zwischen dem mindestens einen ersten Speicher und dem zweiten Speicher mit einem großen Wirkungsgrad Energie zu erzeugen beziehungsweise im Bedarfsfalle überschüssige Energie zwischenzuspeichern. In dem wenigstens einen ersten Speicher ist das unter dem Druck P-i stehende Gas druckdicht eingeschlossen. Dieses Gas wirkt bei freigegebenem Strömungsweg auf die Flüssigkeit, die so durch den mechanisch angetriebenen Erzeuger für elektrische Energie fließen kann, so dass dieser in an sich bekannter Weise Energie erzeugen kann. Der mechanisch angetriebene Erzeuger ist beispielsweise eine Turbine. Ferner kann diese Einrichtung die beiden Speicher druckdicht voneinander trennen, wenn weder Energie erzeugt werden soll noch eine Rückfüllung des ersten Speichers erfolgt. Darüber hinaus kann diese Einrichtung als Druckerzeuger arbeiten, nämlich dann, wenn überschüssige Energie zur Aufladung des mindestens einen ersten Speichers genutzt werden soll. Im Sinne der Erfindung kann der mechanisch angetriebene Erzeuger für elektrische Energie auch aus mehreren Bauelementen bestehen, die die einzelnen erforderlichen Funktionen dann übernehmen. So kann beispielsweise ein Schieber, Ventil oder dergleichen vorgesehen sein, über den die druckdichte Trennung erfolgt. Energieerzeugungseinrichtung und Druckerzeugungseinrichtung können ebenfalls separate Baueinheiten sein.
Das Grundprinzip des erfindungsgemäßen Speicherkraftwerks mit einer Flüssigkeit als Arbeitsmedium ist die Ausnutzung eines Druckunterschiedes bei fehlendem oder nur geringem Höhenunterschied eines Systems aus zwei Behältnissen beziehungsweise einem Behältnis und einem Reservoir. Dieser Druckunterschied ist weit höher, das heißt mindestens 50 % höher als durch den eventuell vorhandenen Höhenunterschied des Systems erzielbar. Dies wird mittels eines Gasdrucks auf eine Flüssigkeit erzielt, welcher dann durch die Flüssigkeit auf gleichem oder nahezu gleichem Höhenniveau gegeben ist.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in einem geschlossenen Behältnis eine Flüssigkeit unter hohem Druck steht, welcher durch ein komprimiertes Gas erzeugt wird. Dies kompensiert einen fehlenden oder zu geringen Höhenunterschied und ermöglicht so auch den ebenerdigen Aufbau eines Energiespeichers.
Dadurch ergeben sich, sofern ein hoher Druck von mehreren Atmosphären eingestellt wird beziehungsweise vorherrscht, zwei wesentliche Vorteile, nämlich ein relativ geringer Platzbedarf bei großer Speichermenge und die Vermeidung von großen Energieverlusten. Letzteres ergibt sich durch das Komprimieren des Gases, da die entstehende Wärme in die Flüssigkeit eingetragen und bei der Entspannung wieder an das Gas abgegeben werden kann, und darüber hinaus die Expansion beziehungsweise Kompression des Gases relativ gering ist.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, mit anderen Gasen zu arbeiten als mit Luft. Vorteilhaft sind hier Gase, die sich durch Kompression nicht oder nur wenig erwärmen und bei Expansion nur wenig abkühlen. So tritt z. B. bei Verwendung von Wasserstoff oder Helium aufgrund der sehr niedrigen Inversionstemperatur dieser Gase der gegenteilige Effekt auf, da sich das Gas bei Expansion erwärmt. So kann in einem geschlossenen Behältnis, der keine nennenswerten Gasverluste aufweist, auch ein anderes Gas beziehungsweise Gasgemisch als Luft verwendet und Energieverluste durch die Kompression des Gases minimiert werden. Vorteilhaft ist es dabei, in dem zweiten Volumen Vorkehrungen zu treffen, um z. B. im Wasser gelöstes und dort freigesetztes Gas aufzufangen. Dies kann bei Verwendung von Wasser ein Zusatz sein, der die Gasloslichkeit reduziert. Dies ist schon bei Salzwasser gegeben, und entsprechend kann ein Salzzusatz oder die Verwendung von Meerwasser als Arbeitsmedium vorteilhaft sein.
Für die technische Realisierung gibt es mehrere bevorzugte Ausgestaltungen. So kann ein System von zwei miteinander verbundenen Behältern genutzt werden, zwischen denen z. B. Wasser hin- und hergepumpt beziehungsweise zur Energieerzeugung und Speicherung genutzt wird. Der unter geringerem Druck stehende Teil kann aber auch ein See, Meer bezie- hungsweise Ozean, Wasserlauf oder ein offenes Becken sein. Auch kann in einen nicht vollständig mit Wasser gefüllten Behälter Druckluft eingeleitet werden, die Kompression also nicht durch das Einpumpen von Wasser geschehen, sondern durch das Einleiten von Druckluft. So ist dies mindestens bei Inbetriebnahme notwendig, wenn man auf nennenswerte Betriebsdrücke kommen will, da z. B. bei einer Konfiguration mit 50 % Wasser und 50 % Gasfüllung nur ein Überdruck von 1 bar erreicht würde, wenn man das Wasser einfach hineinpumpt. Setzt man jedoch das halb gefüllte System unter einen Anfangsdruck von 100 bar, so entspricht dies einem anfänglichen Höhenunterschied von 1000 m. Der Druck würde sich dann bei vollständiger Entleerung des Wassers auf ca. 50 bar reduzieren. Dabei kann der Gasvorratsbehälter auch neben dem Wasserbehälter liegen und mit diesem über ein Rohr verbunden sein. Dies würde Wartungsarbeiten und die Verwendung von Spezialgasen erleichtern, da in solch einem Fall das Wasser, sofern ein Trennschieber zwischen den Behältnissen vorhanden ist, ohne Druckverlust abgelassen werden kann. Nach Beendigung der Wartung wird das Wasser einfach wieder hineingefüllt. Anschließend wird es dann wieder mit dem Druck des Gases beaufschlagt. Bevorzugt ist hier für den Betrieb ein großer Leitungsquerschnitt, um Reibungsverluste zwischen den Behältnissen gering zu halten.
Durch die relativ geringe Expansion des Gases um einen Faktor Zwei ist die Erwärmung und Abkühlung des Gases im Betrieb relativ gering.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, für einen besseren Wärmeübertrag an die Flüssigkeit diese beim Einleiten zu versprühen beziehungsweise so einzuleiten, dass sie im freien Fall und fein verteilt durch das Gas in das Reservoir gelangt.
Beim Ausleiten kann die Flüssigkeit beziehungsweise geringe Teile davon am einfachsten im Gasraum versprüht werden, um die Wärme effizient abzugeben. Hier kommt auch der Vorteil einer Flüssigkeit zum Tragen, da diese pro Volumen eine relativ hohe Wärmekapazität aufweist und so eine starke Erwärmung oder Abkühlung des Gases bei Kompression und Expansion verhindern kann.
Ferner ist in bevorzugter Ausgestaltung eine Kombination des Energiespeichers mit einem Wärmespeicher vorgesehen. Hier kann die Flüssigkeit bei Verwendung von gut wärmeisolierten Reservoiren dazu verwendet werden, Wärmeenergie zu speichern, was zur Kühlung im Sommer und zur Heizung im Winter genutzt werden kann. Dies ist vor allen Dingen in der Nähe zu Häusern oder Industrieanlagen interessant, weniger wenn der Speicher nahe am Ort der Energieerzeugung, z. B. mit Windkraft, aufgestellt ist, da diese meist in einiger Entfernung zu möglichen Wärmeabnehmern stehen.
Prinzipiell ist die Methode an sehr vielen Standorten und Konfigurationen realisierbar. So kann der Druckbehälter sowohl über- als auch unterirdisch verlegt sein, das druckärmere Reservoir ebenfalls und die Anordnung zueinander, neben-, über- oder untereinander erfolgen. Der Druckbehälter ist ideal als Kugel oder Zylinder mit halbkugelförmigen Enden realisiert. Jedoch kann er auch andere beliebige Formen haben. Speziell, wenn er unterirdisch in natürliche Hohlräume oder künstliche Stollen eingebaut wird, muss das tragende Gestein nur durch eine dünnere Außenwand abgedichtet sein.
Ideal für eine lange Nutzung ist eine möglichst gas- und wasserdichte Abdichtung des Druckbehälters. Dies kann mit vielen Werkstoffen geschehen, so z. B. mit einem Folienmaterial auf einem tragenden Untergrund oder mittels Kunstharzen. Letztere können z. B. mit Kohlefasermatten einen druckfesten Behälter realisieren, der gegebenenfalls außen mit einem weiteren tragenden und schützenden Material umgeben ist. Erstgenannte Lösung erfordert einen Träger, dies kann z. B. ein Stollen sein und/oder ein Stahlbetonmantel und/oder eine Metall- oder Verbundstofflösung wie faserverstärkte Werkstoffe. Aber auch Metallbehälter können eingesetzt werden. Bei einer weiteren Lösungsmöglichkeit wird ein nach unten abgedichtetes Wasserreservoir mit einem Zugkräfte abfangenden Dach versehen, welches entweder die Fläche überdeckt oder mittels dazwischen liegender Stützen das Gewicht des Daches oder die durch einen Überdruck entstehenden Zugkräfte aufnimmt. Unter Sicherheitsaspekten sind jedoch bei hohen Drücken kugel- oder zylinderförmige oder aus solchen Elementen bestehende Behältnisse, sofern die Drücke nicht z. B. im Gestein oder einem anderen Träger abgefangen werden, vorzuziehen.
Auch ist es aus Sicherheitsgründen bei Druckbehältern sinnvoll, an geeigneter Stelle ein Sicherheitsventil anzubringen, welches das Ausströmen des Gases in eine für Mensch und Umwelt ungefährliche Richtung ermöglicht. Dies ist meist ein Ausströmen vertikal in die Atmosphäre.
Die Erfindung ist prinzipiell als Luft-Wassersystem bis zu einem Druck von ca. 830 bar sinnvoll einsetzbar. Darüber erreicht die Dichte der Luft denselben oder einen höheren Wert als Wasser und der Energiegehalt des Speichers wird dann vergleichbar hoch, das heißt, der Einsatz von Wasser ist abgesehen von der Nutzung als Wärmereservoir für den Expansions- und Kompressionsvorgang überflüssig. Dennoch sind selbst bei solch hohen Drücken die Expansionsverluste des Gases erheblich und Wasser als Träger im Vorteil. Da derzeit solch große Drücke nicht sicher umsetzbar sind, ist die Kombination Flüssigkeit-Gasdruck beziehungsweise Flüssigkeitsdruck-Gas durch den höheren Wirkungsgrad vorteilhaft gegenüber rein gasbetriebenen Speicherlösungen.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 a eine Ausführungsform mit zwei nebeneinander liegenden Behältern als
Speicher;
Figur 1 b eine Ausführungsform mit beiden Behältern unter Tage;
Figur 2a eine Ausführungsform mit übereinander liegender Anordnung;
Figur 2b eine Ausführungsform mit umeinander liegender Anordnung;
Figur 3a eine erste Ausführungsform als reiner Gasspeicher ergänzt um einen Flüssigkeitsspeicher;
Figur 3b eine weitere Ausführungsform als reiner Gasspeicher ergänzt um einen
Flüssigkeitsspeicher und
Figur 4 eine weitere Ausführungsform der Behälter beziehungsweise Speicher.
Figur 1 a stellt eine mögliche Ausführungsform vor. So sind hier zwei nebeneinander liegende Behälter 101 und 102 als Speicher H-ι mit einem Druck P-i und Speicher H3 mit einem Druck P2 dargestellt, welche mittels einer Leitung (Rohr) 103 und einer Einheit 104 zur Stromgewinnung beziehungsweise zum Pumpen miteinander verbunden sind. In dieser Einheit 104 kann zudem ein Regelventil eingebaut sein, dies ist aber auch an anderer Stelle der Leitung 103 möglich. Der Behälter 101 ist dabei geschlossen, der Behälter 102 mit einer Öffnung 105 ausgelegt.
Figur 1 b zeigt eine Ausführung mit beiden Behältern 101 und 102 unter Tage. Figur 2a zeigt eine Möglichkeit der übereinander liegenden Anordnung. Hier ist der Behälter 201 als Speicher H-ι mit einem Druck P2 oberhalb des Behälters 202 als Speicher H3 mit einem Druck P2 angeordnet, wobei über ein oder mehrere Elemente 204 Energie gewonnen beziehungsweise im Speicher H-ι gespeichert werden kann.
Eine weitere Ausführungsform ist der Aufbau der Speicher umeinander, wie in Figur 2b gezeigt. Hier wird z. B. um einen Behälter 21 1 als Speicher H-i mit dem Druck P-i eine zweite Hülle 212 als Speicher H3 mit dem Druck P2 in einem größeren Abstand gelegt und die Flüssigkeit zwischen Innen- und Außenraum über ein oder mehrere Elemente 214 hin- und hergepumpt. So ist hier z. B. bei einer Kugelform die innere Kugel mit einem Radius von ca. 20 m ausgelegt, die äußere mit einem Radius von ca. 25 m, um dasselbe Volumen in beiden Bereichen zu erzielen.
Analog zu Figur 1 kann ein Speicher H auch über zwei Behältnisse 301 unter hohem Druck verfügen, welche - wie schon ausgeführt - Vorteile in Bezug auf Wartungsarbeiten bieten. So ist in Figur 3a der Speicher H-i mit dem Druck P-i als reiner Gasspeicher ergänzt um einen Flüssigkeitsspeicher H2 mit dem Druck P-i , der z. B. über eine Leitung 303 und ein oder mehrere Energieerzeuger beziehungsweise -speicherelemente 304 die Flüssigkeit zu einem weiteren Behälter 302 als Speicher H3 mit dem Druck P2 strömen lassen beziehungsweise pumpen kann.
Eine analoge Ausführung ist in Figur 3b gezeigt, hier aber mit einem offenen natürlichen Speicher als Reservoir R2 mit dem Druck P2 in Form beispielsweise eines Sees 306.
Der Vorteil eines geschlossenen Systems ist die Vermeidung von Verunreinigungen des Wassers, z. B. durch Wasserpflanzen, Äste oder andere in natürlichen Gewässern vorkommende Objekte.
Auch können beide Behälter prinzipiell geschlossen oder anders geformt sein, wie in Figur 4 gezeigt. So kann ein Behälter 401 beziehungsweise Speicher H-i einen hohen Druck P-i aufweisen (z. B. 100 bar) und ein Behälter 402 als Speicher H3 einen niedrigen Druck P2 (z. B. 1 bar). Beim Erzeugen von Energie durch die Flüssigkeit über Leitungen 403 und Energietauschereinheit 404 sinkt der Druck im Behälter 401 (z. B. auf ca. 50 bar) und steigt im Behälter 402 an (z. B. auf ca. 2 bar). Dies erleichtert die Verwendung von Spezialgasen, die die mögliche Temperaturänderung bei Expansion beziehungsweise Kompression minimieren. Des Weiteren kann das Gas durch eine elastische Membran 405 beziehungsweise einen Ballon oder ballonähnlichen Behälter von der Flüssigkeit getrennt sein, um z. B. die Eindiffu- sion von Gas in die Flüssigkeit und damit Druckverluste zu minimieren.
Die Speicher können unterirdisch, oberirdisch, in oder zum Teil in einem Gewässer oder auch nur teilweise unter Grund realisiert werden.
Auch eignet sich ein kompakter Speicher, der kontinuierlich von einer Pumpe, die vom Stromnetz gespeist wird, befüllt wird und kontinuierlich Strom über einen Generator erzeugt als Puffer bei Spannungsschwankungen, wie auch bei kurzen Angebotsschwankungen als Energiepuffer, sowie bei Stromausfall als Puffer bis zum Betrieb eines Notstromaggregats. Da bei normaler Versorgung aus dem Stromnetz der Druck im Behälter nahezu konstant bleiben kann, ist eine energieeffiziente Entkopplung der Stromnetze und eine kurzfristige Pufferung somit einfach möglich. Durch die kurzen Rohrleitungen sind hier geringe Reibungsverluste des Systems möglich. Nur die jeweiligen Wirkungsgrade der Pumpen und Turbineneinheit sind für die Gesamteffizienz des Systems wesentlich, andere Faktoren sind nahezu vernachlässigbar.
Prinzipiell ist der erfindungsgemäße Energiespeicher mit allen Flüssigkeiten und Gasen, die keine unerwünschten Reaktionen miteinander oder dem Behältnis und Generator aufweisen, realisierbar. So kann man prinzipiell bei Verwendung von schweren flüssigen Metallen wie Gallium, Quecksilber oder Legierungen wie Galinstan eine höhere Speicherdichte bei gleichem Volumen erzielen. Jedoch sind diese Metalle teuer, teilweise giftig und in großen Mengen derzeit nur schwer ökonomisch einsetzbar.
Die genannten Beispiele sind nur einige einer Vielzahl von Ausführungsmöglichkeiten und können meist auch miteinander kombiniert werden. So sind die Anzahl und Art der Energieerzeuger und Pumpen vielfältig, genauso wie die Anzahl der Behältnisse und Reservoire und deren Platzierung. Auch können Flüssigkeits- und Gasgemische anstatt reiner Flüssigkeiten und Gase eingesetzt werden. Bezugszeichenliste
101 Behälter
102 Behälter
103 Leitung
104 Einheit zur Stromgewinnung beziehungsweise zum Pumpen
105 Öffnung
201 Behälter
202 Behälter
204 Elemente zur Energiegewinnung beziehungsweise -speicherung
21 1 Behälter
212 Hülle als Speicher H3 mit Druck P2
214 Elemente zum Hin- und Herpumpen
301 Behälter
302 Behälter
303 Leitung
304 Elemente zur Energiegewinnung beziehungsweise -speicherung 306 offener natürlicher Speicher (beispielsweise See)
401 Behälter
402 Behälter
403 Leitung
404 Energietauschereinheit
405 elastische Membran / Ballon / ballonähnlicher Behälter
P-i Druck
P2 Druck
H T Speicher
H2 Speicher
H3 Speicher offener natürlicher Speicher / Reservoir

Claims

Patentansprüche
Pumpspeicherkraftwerk mit mindestens einem ersten Speicher (H-i , H2), mit einem zweiten Speicher (H3), mit einem den mindestens einen ersten Speicher (H-i , H2) mit dem zweiten Speicher (H3) verbindenden Strömungsweg (303), für eine Flüssigkeit, innerhalb dessen ein mechanisch angetriebener Erzeuger (104, 204, 304, 214, 404) für elektrische Energie angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der mindestens eine erste Speicher (H-i , H2) einen druckdicht verschlossenen Hohlraum (101 , 201 , 301 , 401 ) umfasst, der teilweise mit Flüssigkeit gefüllt ist, der nicht mit Flüssigkeit gefüllte Bereich des mindestens einen ersten Speichers (H-i , H2) mit einem unter Druck (P^ stehenden Gas befüllt ist, wobei der Druck (Ρ-ι) größer ist als ein Druck (P2) in dem zweiten Speicher (H3), der mechanisch angetriebene Erzeuger (104, 204, 214, 304, 404) für elektrische Energie derart in dem Strömungsweg angeordnet ist, dass er entweder den mindestens einen ersten Speicher (H-i , H2) von dem zweiten Speicher (H3) druckdicht trennt, eine Durchflussrichtung von dem mindestens einen ersten Speicher (H-i , H2) zu dem zweiten Speicher (H3) freigibt oder als Druckerzeuger eine Durchflussrichtung von dem zweiten Speicher (H3) zu dem wenigstens einen ersten Speicher (H-i , H2) freigibt.
Pumpspeicherkraftwerk nach Anspruch 1 ,
gekennzeichnet durch
den Einsatz von Wasser als flüssiges Medium.
Pumpspeicherkraftwerk nach Anspruch 1 ,
gekennzeichnet durch
den Einsatz von Luft als gasförmiges Medium.
Pumpspeicherkraftwerk nach Anspruch 1 ,
gekennzeichnet durch
den Einsatz von Wasserstoff, Helium oder von einem anderen Gas mit einer Inversionstemperatur < 500 °C als gasförmiges Medium.
5. Pumpspeicherkraftwerk nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
die teilweise oder vollständige Realisierung unter Tage.
6. Pumpspeicherkraftwerk nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch
die teilweise oder vollständige Realisierung unter Wasser.
7. Pumpspeicherkraftwerk nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch
die räumliche Trennung des Gases von der Flüssigkeit durch eine Membran oder durch ein ballonartiges Behältnis für das Gas.
8. Pumpspeicherkraftwerk nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch
den schnellen Temperaturausgleich zwischen Flüssigkeit und Gas durch Versprühen der Flüssigkeit im Gasraum, das Einblasen des Gases in die Flüssigkeit und/oder durch Wärmetauscherleitungen an den Behältniswänden und/oder im Gasraum.
9. Pumpspeicherkraftwerk nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch
die zusätzliche Nutzung als Wärmespeicher, um Überschusswärme zur späteren Nutzung zu speichern.
10. Pumpspeicherkraftwerk nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch
den Einsatz als Trennglied, Puffer und/oder unterbrechungsfreie Stromversorgung zwischen einem Stromnetz und einem Verbraucher.
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