EP3321501A1

EP3321501A1 - System for energy storage and recovery

Info

Publication number: EP3321501A1
Application number: EP17206440.4A
Authority: EP
Inventors: Joseph Maier
Original assignee: Individual
Current assignee: Renestor-M GmbH
Priority date: 2015-12-22
Filing date: 2015-12-22
Publication date: 2018-05-16
Anticipated expiration: 2035-12-22
Also published as: EP3184807B1; ES2750001T3; DK3321501T3; ES2688211T3; DK3184807T3; EP3184807A1; EP3321501B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zur Energiespeicherung und -rückgewinnung umfassend mindestens einen Druckluftbehälter (1), mindestens einen mit dem Druckluftbehälter (1) in Verbindung stehenden Druckwasserbehälter (2), mindestens eine mit dem mindestens einen Druckwasserbehälter (2) in Wirkverbindung stehende Turbine (3a), wobei die Turbine (3a) eine Peltonturbine ist, einen Generator (4) zur Erzeugung elektrischer Energie, welcher eingerichtet ist zur Erzeugung von elektrischer Spannung und welcher an einen Frequenzumrichter (4a) angeschlossen ist, zur Erzeugung einer gleichbleibenden Spannung und Frequenz, wobei der Frequenzumrichter (4a) eine Schnittstelle aufweist zur Verbindung mit einem öffentlichen Stromnetz (S) und eine Hochdruckpumpe (11) zur Förderung von Wasser aus einem Wasserspeicher (9) in den Druckwasserbehälter (2), wobei der mindestens eine Druckluftbehälter (1) permanent im Druckgleichgewicht mit dem mindestens einen Druckwasserbehälter (2) steht, derart, dass während der Energiespeicherung und -rückgewinnung der Druck im mindestens einen Druckluftbehälter (1) gleich dem Druck im mindestens einen Druckwasserbehälter (2) ist.

The invention relates to a system for storing and recovering energy comprising at least one compressed air tank (1), at least one pressurized water tank (2) in communication with the compressed air tank (1), at least one turbine (3a) operatively connected to the at least one pressurized water tank (2) ), wherein the turbine (3a) is a Pelton turbine, a generator (4) for generating electrical energy, which is adapted to generate electrical voltage and which is connected to a frequency converter (4a), to generate a constant voltage and frequency, the frequency converter (4a) has an interface for connection to a public power grid (S) and a high pressure pump (11) for conveying water from a water reservoir (9) into the pressurized water tank (2), the at least one compressed air tank (1) permanently in the Pressure equilibrium with the at least one pressurized water container (2) is, in such a way during energy storage and recovery, the pressure in the at least one compressed air tank (1) is equal to the pressure in the at least one pressurized water tank (2).

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Energiespeicherung und -rückgewinnung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1.The invention relates to a system for energy storage and recovery according to the features of patent claim 1.

Neue Entwicklungen im Bereich der alternativen Energien, insbesondere die der diskontinuierlichen Prozesse, wie Solarenergie oder Windenergie, haben zu der Situation geführt, dass einerseits Betriebszeiten gegeben sind, in denen die erzeugte Energie den vorliegenden Bedarf zum Teil erheblich übersteigt, andererseits solche, in denen es an der erforderlichen und abgefragten Energie völlig oder mindestens teilweise fehlt. Diese Schwankungen haben den Bedarf an geeigneten Speichermöglichkeiten für Überschussenergie akut werden lassen.New developments in the field of alternative energies, in particular those of discontinuous processes, such as solar or wind energy, have led to the situation that on the one hand operating times are given, in which the energy generated in some cases significantly exceeds the present demand, on the other hand, those in which it at the required and requested energy completely or at least partially missing. These fluctuations have made the need for suitable storage facilities for excess energy acute.

Damit richten sich die Entwicklungsbemühungen gezielt auf Vorgänge, in denen die elektrische Energie zunächst in einen anderen Energieträger umgewandelt und aus diesem wieder zurückgewonnen werden kann.Thus, the development efforts are directed specifically to processes in which the electrical energy can first be converted into another energy source and recovered from this again.

Eine dieser Vorgänge ist die Hydrolyse, bei der aus Wasser dessen Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff gewonnen werden. Wegen des schwierigen Umgangs mit chemisch aktivem Wasserstoff bieten sich diese Verfahren, die im Allgemeinen auch einen großen verfahrenstechnischen Aufwand erfordern, für die breite Verwendung zur elektrischen Energiespeicherung und Rückgewinnung nicht an.One of these processes is hydrolysis, in which water and its components oxygen and hydrogen are recovered. Because of the difficulty of dealing with chemically active hydrogen, these processes, which generally also require a great deal of process engineering, are not available for widespread use in electrical energy storage and recovery.

Die Speicherung elektrischer Energie in elektrischer Form ist bisher nur in Akkumulatoren möglich, in denen ein Übergang von elektrischen zu chemischen Prozessen herbeigeführt wird. Es ist aber noch nicht gelungen, Geräte zu schaffen, in denen das Speichervolumen hoch und das Bauvolumen gering ist. Für die Speicherung großer Energiemengen oder dezentrale zahlreiche Anordnungen von Speichereinheiten bilden derartige Geräte daher noch keine geeignete Lösung.The storage of electrical energy in electrical form has hitherto only been possible in accumulators in which a transition from electrical to chemical processes is brought about. However, it has not yet been possible to create devices in which the storage volume is high and the construction volume is low. For the storage of large amounts of energy or decentralized numerous arrangements of storage units such devices therefore do not form a suitable solution.

Weitere Verfahren sind darauf gerichtet, die anfallende elektrische Energie zunächst zur Verrichtung von Arbeit einzusetzen, mit welcher Speicher gefüllt werden, und die Rückgewinnung ebenfalls über den Zwischenvorgang der Arbeitsverrichtung auszuführen. Solche Verfahren werden z.B. in Pumpspeicherkraftwerke, Talsperren, hydropneumatische Speicherkraftwerke, die in stillgelegten Kavernen oder Bergwerken untergebracht sind, eingesetzt. Die Speicherung erfolgt zum Teil mit Druckluft oder Erdgas oder in Kombination mit Wasser, das zur Kühlung in die Gase eingespritzt wird.Other methods are directed to first use the resulting electrical energy to perform work, are filled with which memory, and perform the recovery also on the intermediate process of Arbeitsverrichtung. Such processes are eg in pumped storage power plants, dams, Hydropneumatic storage power plants, which are housed in disused caverns or mines used. The storage is done partly with compressed air or natural gas or in combination with water, which is injected into the gases for cooling.

Die derzeit verfügbaren Energiespeicher reichen zur Speicherung der durch erneuerbare Energieerzeuger verursachten Schwankungen bei weitem nicht aus. Gleichzeitig reichen die klassischen Energiespeicher wie Pumpspeicherkraftwerk oder Talsperren nicht aus und sind aus umwelttechnischen Gründen nur schwer realisierbar.The currently available energy stores are far from sufficient to store the fluctuations caused by renewable energy producers. At the same time the classic energy storage such as pumped storage power plant or dams are not enough and are difficult to realize for environmental reasons.

Ein Verfahren, in dem Luft komprimiert und zur Rückgewinnung der Energie wieder in verdichteter oder Druckluftmotoren eingesetzt wird, beschreibt die DE 27 17 679 A . Nachteilig für ein solches Verfahren ist die Tatsache, dass Luft als Energieträger für Arbeitsmaschinen einen verhältnismäßig niedrigen Wirkungsgrad hat und nur effektiv wirkt, wenn sie in hohen Mengen durchgesetzt werden kann, welche sich aber in den bei der Energiespeicherung gegebenen Bedingungen kaum erzeugen lassen.A process in which air is compressed and reused in compressed or compressed air engines to recover energy is described in US Pat DE 27 17 679 A , A disadvantage of such a method is the fact that air as an energy source for work machines has a relatively low efficiency and only effective if it can be enforced in high quantities, but which can hardly be produced in the given conditions of energy storage conditions.

Ein weiteres Verfahren zeigt die WO 2006/084748 A1 . Dabei werden verformbare oder komprimierbare Teile in Wasserbehältern unter Druck gesetzt und verformt. Wird Energie benötigt, wird das Wasser entnommen, welches unter Druck steht und dadurch Geräte antreiben kann. Nachteilig bei dieser Gestaltung ist, dass der Druck an den verbrauchenden Geräten mit dem Wasserdruck im Speicher nicht linear sinkt und dass sich mit der Gestaltung ein sehr hoher Aufwand verbindet.Another method shows the WO 2006/084748 A1 , In this case, deformable or compressible parts in water tanks are pressurized and deformed. If energy is required, the water is removed, which is under pressure and thereby can drive devices. A disadvantage of this design is that the pressure on the consuming devices with the water pressure in the memory does not decrease linearly and that combines with the design of a very high cost.

Ein weiteres Speicherverfahren zeigt die DE601 18 987 T2 . Diese Methode ist für kleine Speicher wie z.B. an Fahrzeugen geeignet. Für Speicherkraftwerke die ein großes Speichervolumen benötigen ist das Verfahren nicht anwendbar.Another storage method shows the DE601 18 987 T2 , This method is suitable for small storage such as on vehicles. For storage power plants which require a large storage volume, the method is not applicable.

Aus DE 102011082726 A1 sind Konstruktionen für Speicher bekannt. Für den Bau von Speicherkraftwerken sind diese Druckspeicher auf Grund der aufwändigen Konstruktion und dem geringen Speichervolumen nicht einsetzbar.Out DE 102011082726 A1 Constructions for memory are known. For the construction of storage power plants, these accumulators can not be used due to the complex construction and the low storage volume.

Aus DE 10 2013 112 196 A1 ist ein Druckluftspeicherkraftwerk bekannt. Druckluftspeicherkraftwerke haben auf Grund der physikalischen Gegebenheiten schlechte Wirkungsgrade. Die Komprimierung eines Gases wie z.B. Luft ist immer mit großen Wärmeentwicklungen verbunden. Bei der Entspannung entsteht dann wiederum Kälte die gespeichert oder zurückgewonnen werden muss. Die beschriebene Kombination zwischen Druckluftspeicher und Druckwasserspeicher zeigt einen praktikablen Weg auf. Bei dem beschriebenen Verfahren wird allerdings die Druckluft vor der erneuten Füllung des Wasserspeichers entspannt und erneut mit frischer Druckluft unter Druck gesetzt. Damit wird viel Energie zur Komprimierung der Druckluft bei einem schlechten Wirkungsgrad benötigt.Out DE 10 2013 112 196 A1 is known a compressed air storage power plant. Compressed air storage power plants have poor efficiencies due to the physical conditions. The compression of a gas such as air is always associated with large heat developments. During the relaxation then again cold arises saved or recovered. The described combination between compressed air reservoir and pressurized water storage shows a practical way. In the described method, however, the compressed air is released before re-filling the water reservoir and re-pressurized with fresh compressed air. This requires a lot of energy to compress the compressed air with a poor efficiency.

US 2012/0279209 A1 beschreibt eine unter Atmosphärenbedingungen arbeitenden Vorrichtung, ein Gas in einen druckfesten Behälter unter hohem Druck zu fördern und es daraus anschließend stufenweise auf Flüssigkeiten in geschlossenen hydraulischen Apparaten wirken zu lassen, bis es auf Atmosphärendruck entspannt ist. Nachteil ist in diesem Vorgang, dass zu einer nötigen steten Wiederholung wieder erheblicher Energieaufwand für die Komprimierung des Gases und den Betrieb der hydraulischen Geräte erforderlich ist. US 2012/0279209 A1 describes an apparatus operating under atmospheric conditions to deliver a gas into a pressure-resistant container under high pressure and then gradually let it act on liquids in closed hydraulic apparatus until it is depressurized to atmospheric pressure. Disadvantage is in this process that to a necessary constant repetition again considerable energy expenditure for the compression of the gas and the operation of the hydraulic equipment is required.

Aus DE 102013018741 A1 ist ein System zur Energiespeicherung und -rückgewinnung bekannt, bei welchem überschüssige Energie in einem Stromnetz mittels Druckluft in einem Druckluftbehälter gespeichert wird. Die Energierückgewinnung erfolgt dadurch, dass die Druckluft in einen Wasserbehälter geleitet wird, wodurch das Wasser durch eine Turbine geleitet wird und entspannt wird. Der von der Turbine angetriebene Generator erzeugt Strom, der einem Stromnetz zugeführt wird.Out DE 102013018741 A1 a system for energy storage and recovery is known in which excess energy is stored in a power network by means of compressed air in a compressed air tank. The energy recovery is accomplished by passing the compressed air into a water tank, which directs the water through a turbine and relaxes it. The generator driven by the turbine generates electricity, which is supplied to a power grid.

Aus WO 2011/101647 A2 ist ein System bekannt zur Energiespeicherung und - rückgewinnung mit Druckluft- und Druckwasserbehältern sowie einer Peltonturbine und einem mit dieser verbundenen Generator zur Stromerzeugung.Out WO 2011/101647 A2 A system is known for storing and recovering energy with compressed air and pressurized water tanks, and a Pelton turbine and a power generation generator connected thereto.

Aus FR 3 012 537 A1 und EP 0 230 636 A1 ist die Verwendung einer Peltonturbine mit einem Frequenzumrichter bekannt.Out FR 3 012 537 A1 and EP 0 230 636 A1 is the use of a Pelton turbine with a frequency converter known.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein System zur Energiespeicherung- und rückgewinnung anzugeben, mit welchem trotz variabler Drehgeschwindigkeit einer Peltonturbine eine Stromeinspeisung mit konstanter, vorgegebener Frequenz in ein öffentliches oder nichtöffentliches Stromnetz möglich ist.The object of the invention is to provide a system for energy storage and recovery, with which despite variable rotational speed of a Pelton turbine, a power supply with a constant, predetermined frequency in a public or non-public power grid is possible.

Diese Aufgabe wird mit dem System gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.This object is achieved with the system according to the features of independent claim 1. Advantageous embodiments of the invention are the subject of dependent claims.

Die Erfindung geht aus von einem System zur Energiespeicherung und -rückgewinnung. Das System umfasst hierbei mindestens einen Druckluftbehälter, mindestens einen mit dem Druckluftbehälter in Verbindung stehenden Druckwasserbehälter, mindestens eine mit dem mindestens einen Druckwasserbehälter in Wirkverbindung stehende Turbine. Die Turbine ist hierbei eine Peltonturbine. Ferner umfasst das System einen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie, welcher eingerichtet ist zur Erzeugung von elektrischer Spannung Der Generator ist hierbei an einen Frequenzumrichter angeschlossen, zur Erzeugung einer gleichbleibenden Spannung und Frequenz. Der Frequenzumrichter weist eine Schnittstelle auf zur Verbindung mit einem öffentlichen Stromnetz. Das System umfasst schließlich eine Hochdruckpumpe zur Förderung von Wasser aus einem Wasserspeicher in den Druckwasserbehälter.The invention is based on a system for energy storage and recovery. In this case, the system comprises at least one compressed air tank, at least one pressurized water tank connected to the compressed air tank, at least one turbine operatively connected to the at least one pressurized water tank. The turbine is a Pelton turbine. Furthermore, the system comprises a generator for generating electrical energy, which is configured to generate electrical voltage. The generator is in this case connected to a frequency converter, for generating a constant voltage and frequency. The frequency converter has an interface for connection to a public power grid. The system finally includes a high pressure pump for pumping water from a water reservoir into the pressurized water tank.

Gemäß der Erfindung steht der mindestens ein Druckluftbehälter permanent im Druckgleichgewicht mit dem mindestens einen Druckwasserbehälter derart, dass während der Energiespeicherung und -rückgewinnung der Druck im mindestens einen Druckluftbehälter gleich dem Druck im mindestens einen Druckwasserbehälter ist.According to the invention, the at least one compressed air tank is permanently in pressure equilibrium with the at least one pressurized water tank such that during energy storage and recovery the pressure in at least one compressed air tank is equal to the pressure in the at least one pressurized water tank.

Unter dem Begriff Wirkverbindung wird im Weiteren verstanden, dass der Druckwasserbehälter direkt mit der Turbine verbunden ist. Das bedeutet, dass das aus dem Druckwasserbehälter ausströmende Wasser direkt an die Turbine geführt wird und diese antreibt. Die in Wirkverbindung mit dem Druckwasserbehälter stehende Turbine wird somit eben nicht durch eine andere Turbine angetrieben. Mit anderen Worten, die Gleichdruckturbine steht in Wirkverbindung mit dem Druckwasserbehälter und wird von dem ausströmenden Wasser angetrieben.The term "active connection" is understood below to mean that the pressurized water container is connected directly to the turbine. This means that the water flowing out of the pressurized water tank is led directly to the turbine and drives it. The standing in operative connection with the pressurized water tank turbine is therefore not just driven by another turbine. In other words, the constant pressure turbine is in operative connection with the pressurized water container and is driven by the outflowing water.

Mit dem erfindungsgemäßen System wird ein Wirkungsgrad von mehr als 75%, insbesondere mehr als 85% erzielt. Diese Wirkungsgrade können insbesondere bei Leistungen von mehr als 80MW erreicht werden.With the system according to the invention an efficiency of more than 75%, in particular more than 85% is achieved. These efficiencies can be achieved in particular with outputs of more than 80 MW.

Die erfindungsgemäße Kombination eines Generators und eines Frequenzumrichters stellt sicher, dass trotz der Drehzahlschwankungen der Peltonturbine, hervorgerufen durch schwankende Einlaufdrücke, eine gleichbleibende Spannung und Frequenz erzeugt und an das öffentliche Stromnetz abgegeben werden kann. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Peltonturbine nicht als Gleichdruckturbine mit gleichbleibenden Einlaufdrucken sondern mit schwankenden Einlaufdrücken betrieben ist. Dies hat Drehzahlschwankungen zur Folge, welche wiederum Spannungsschwankungen und Frequenzschwankungen im Generator verursachen. Diese Spannungs- und Frequenzschwankungen werden erfindungsgemäß mittels eines Frequenzumrichters der auf den Generator abgestimmt ist, ausgeglichen. Somit steht trotz der Druckschwankungen eine gleichbleibende Spannung und Frequenz zur Verfügung.The inventive combination of a generator and a frequency converter ensures that, despite the speed fluctuations of the Pelton turbine, caused by fluctuating inlet pressures, a constant voltage and frequency can be generated and delivered to the public grid. The invention is characterized in that the Pelton turbine is not operated as a constant pressure turbine with constant inlet pressures but with fluctuating inlet pressures. This results in speed fluctuations, which in turn cause voltage fluctuations and frequency fluctuations in the generator. These voltage and frequency fluctuations are compensated according to the invention by means of a frequency converter which is tuned to the generator. Thus, despite the pressure fluctuations, a constant voltage and frequency available.

Wie bereits oben erläutert, sind die schwankenden Drucke am Eingang der Peltonturbine dem sinkenden Druck in dem Druckwasserbehälter geschuldet, wenn zur Energieerzeugung Wasser aus dem Druckwasserbehälter entnommen wird.As already explained above, the fluctuating pressures at the entrance of the Pelton turbine are due to the falling pressure in the pressure water tank when water is removed from the pressurized water container for power generation.

Mit dem erfindungsgemäßen System können Investitionskosten reduziert und ein Wirkungsgrad von bis zu 95 % erreicht werden.With the system according to the invention investment costs can be reduced and an efficiency of up to 95% can be achieved.

Bei mehreren Druckwasserbehältern kann eine Verbindungsleitung vorhanden sein, welche die Auslasse der Druckwasserbehälter miteinander verbindet, wobei die Druckwasserbehälter derart zueinander angeordnet sind, dass die Verbindungsleitung ein Gefälle aufweist und an ihrem tiefsten Punkt (z.B. Sammler, Wasserschloss) mit dem Einlass der Turbine verbunden ist (z.B. Tauchrohr).In the case of several pressurized water containers, a connecting line may be present which connects the outlets of the pressurized water containers to one another, wherein the pressurized water containers are arranged in such a way that the connecting line has a gradient and is connected at its lowest point (eg collector, water lock) to the inlet of the turbine ( eg dip tube).

Zwischen einem Auslass eines Druckluftbehälters und einem Einlass eines Druckwasserbehälters kann genau eine Druckleitung vorhanden sein, welche ausgebildet ist, bei Energiespeicherung Druckluft vom Druckwasserbehälter zum Druckluftbehälter und bei Energierückgewinnung Druckluft vom Druckluftbehälter zum Druckwasserbehälter zu leiten. Die Leitung ist derart dimensioniert, dass bei Bersten eines Druckluftbehälters nur ein geringes Volumen ausströmen kann und somit nur ein geringer Nachschub an Druckluft nötig ist. In der Verbindungsleitung zwischen dem Druckluftbehälter und dem Druckwasserbehälter kann eine Absperrvorrichtung angeordnet sein, welche eingerichtet ist bei einem plötzlichen Druckabfall die Verbindungsleitung zu schließen. Damit wird sichergestellt, dass beim Bersten eines Druckluftbehälters oder eines Druckwasserbehälters nicht die gesamte gespeicherte Druckluft entweichen kann.Exactly one pressure line can be present between an outlet of a compressed air tank and an inlet of a pressurized water tank, which is designed to conduct compressed air from the pressurized water tank to the compressed air tank and energy recovery compressed air from the compressed air tank to the pressurized water tank at energy storage. The line is dimensioned so that when bursting a compressed air tank only a small volume can flow out and thus only a small supply of compressed air is necessary. In the connecting line between the compressed air tank and the pressurized water container, a shut-off device may be arranged which is set to close the connection line in the event of a sudden drop in pressure. This will be ensures that not all the stored compressed air can escape when a compressed air tank or a pressurized water tank bursts.

Bei mehreren Druckluftbehältern kann eine Verbindungsleitung vorhanden sein, welche die Auslasse mehrerer Druckluftbehälter miteinander verbindet, wobei die mehreren Druckluftbehälter derart zueinander angeordnet sind, dass die Verbindungsleitung ein Gefälle aufweist und an ihrem tiefsten Punkt mit einem Einlass eines Druckwasserbehälters verbunden ist. Damit ist sichergestellt, dass in den Druckluftbehältern entstandenes Kondensat durch die Verbindungsleitung in den Druckwasserbehälter fließt. Hierbei ist es somit möglich, dass mehrere Druckluftbehälter einem einzelnen Druckwasserbehälter zugeordnet sind. Umfasst das System auch mehrere Druckwasserbehälter so ist hierbei sichergestellt, dass beim Bersten eines Druckluft- und/oder Druckwasserbehälters nicht das gesamte im System gespeicherte Druckvolumen entweichen kann. Mit anderen Worten, in dieser Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße System mehrere Gruppen von Druckbehältern, wobei jede Gruppe aus mehreren Druckluftbehältern und einem Druckwasserbehälter besteht. Bei der Fehlfunktion einer Gruppe kann das System durch Trennung der betroffenen Gruppen mittels Absperrschieber, weiterhin auf die anderen Gruppen zugreifen.In a plurality of compressed air tanks, a connecting line may be present, which connects the outlet of several compressed air tanks together, the plurality of compressed air tanks are arranged to each other such that the connecting line has a slope and is connected at its lowest point to an inlet of a pressurized water tank. This ensures that condensate formed in the compressed air tanks flows through the connecting line into the pressurized water tank. It is thus possible that several compressed air tanks are assigned to a single pressurized water tank. If the system also includes several pressurized water containers, this ensures that when a compressed air and / or pressurized water container bursts, not all the pressure volume stored in the system can escape. In other words, in this embodiment, the system according to the invention comprises a plurality of groups of pressure vessels, each group consisting of a plurality of compressed air tanks and a pressurized water tank. In the case of a malfunction of a group, the system can continue to access the other groups by separating the affected groups by means of a gate valve.

Der Druckluftbehälter und der Druckwasserbehälter sind derart miteinander verbunden, dass ein ständiger Druckausgleich zwischen den beiden Behältern stattfindet, so dass während der Energiespeicherung als auch während der Energiegewinnung der Druck in den beiden Behältern immer ausgeglichen ist, d.h. zwischen dem Druckwasserbehälter und dem Druckluftbehälter besteht ein Druckgleichgewicht. Dies bedeutet also, dass bei Energiespeicherung, d.h. Wasser wird in den Druckwasserbehälter eingeleitet, der Druck im Gesamtvolumen des Druckwasserbehälters einerseits stets ansteigt, andererseits der Druck im Gesamtvolumen des Druckwasserbehälters stets identisch ist zum Druck im Druckluftbehälter. Bei der Energierückgewinnung, d.h. Wasser wird aus dem Druckwasserbehälter hinausgeleitet, sinkt der Druck im Gesamtvolumen des Druckwasserbehälters einerseits stets ab, andererseits ist der Druck im Gesamtvolumen des Druckwasserbehälters stets identisch zu dem Druck im Druckluftbehälter. Insbesondere ist ein Druckluftbehälter und ein Druckwasserbehälter über genau eine Druckleitung verbunden, welche ausgebildet ist, bei Energiespeicherung Druckluft vom Druckwasserbehälter zum Bei der Energierückgewinnung wird Wasser aus dem Druckwasserbehälter der Peltonturbine zugeführt. Ein Generator, der an der Antriebswelle der Peltonturbine angeschlossen ist erzeugt Energie, welcher einem angeschlossenen öffentlichen oder nichtöffentlichen Stromnetz zugeführt wird. Durch die abnehmende Wassermenge bei konstantem Volumen der Behälter sinkt der Druck in dem Druckwasserbehälter. Aufgrund des Druckausgleichs zwischen Druckwasserbehälter und Druckluftbehälter herrscht in beiden Behältern zu jedem Zeitpunkt identischer Druck. Dieser Druck sinkt bei abnehmender Wassermenge im Druckwasserbehälter und im Druckluftbehälter kontinuierlich bis zu einem vorgebbaren Minimalwert ab.The compressed air tank and the pressure water tank are connected to each other so that a constant pressure equalization between the two containers takes place, so that during energy storage and during energy production, the pressure in the two containers is always balanced, ie between the pressurized water tank and the compressed air tank is a pressure equilibrium , This means that when energy storage, ie water is introduced into the pressure water tank, the pressure in the total volume of the pressurized water container always increases, on the other hand, the pressure in the total volume of the pressurized water tank is always identical to the pressure in the compressed air tank. In the energy recovery, ie water is led out of the pressurized water tank, the pressure in the total volume of the pressurized water tank always decreases on the one hand, on the other hand, the pressure in the total volume of the pressurized water tank is always identical to the pressure in the compressed air tank. In particular, a compressed air tank and a pressure water tank is connected via exactly one pressure line, which is formed when energy storage compressed air from the pressurized water tank to During energy recovery, water is supplied from the pressurized water tank to the Pelton turbine. A generator, which is connected to the drive shaft of the Pelton turbine generates energy which is supplied to a connected public or non-public power grid. Due to the decreasing amount of water at a constant volume of the container, the pressure in the pressurized water tank decreases. Due to the equalization of pressure between the pressurized water tank and the compressed air tank, both tanks have identical pressure at all times. This pressure decreases with decreasing amount of water in the pressure water tank and in the compressed air tank continuously up to a predetermined minimum value.

Das vorgeschlagene System arbeitet mit Betriebsdrucken bis 500 bar. Bei entsprechender Auslegung der Druckbehälter (Druckwasserbehälter, Druckluftbehälter) sind sogar Drücke bis 1000 bar möglich. Dadurch wird eine hohe Energiedichte erzielt, die auf kleinstem Raum gespeichert werden kann. Auf diese Weise sind z.B. Leistungen zwischen 2 und 450 MW möglich. Durch Erweiterung, d.h. Vergrößerung der Druckluftbehälter und Druckwasserbehälter können beliebige Energiemengen wesentlich kostengünstiger als bei bisher bekannten Speichersystemen gespeichert werden. So ist es z.B. möglich, dass das Volumenverhältnis zwischen Druckwasserbehälter und Druckluftbehälter 1:1, 1:2, 1:3 oder 1:4 und mehr beträgt.The proposed system works with operating pressures up to 500 bar. With appropriate design of the pressure vessel (pressurized water tank, compressed air tank) even pressures up to 1000 bar are possible. As a result, a high energy density is achieved, which can be stored in the smallest space. In this way, e.g. Services between 2 and 450 MW possible. By extension, i. Enlargement of the compressed air tank and pressurized water tank can be stored much cheaper than any previously known storage systems any amount of energy. So it is e.g. possible that the volume ratio between pressurized water tank and compressed air tank is 1: 1, 1: 2, 1: 3 or 1: 4 and more.

Das vorgeschlagene System arbeitet im Wesentlichen mit umlaufendem Wasser, das durch die Peltonturbine entspannt und mit Hilfe von Hochdruckpumpen in den Druckwasserbehälter zurückgepumpt wird. Das System arbeitet mit einer geringen Menge an Ergänzungsluft. Ergänzungsluft kann aufgrund von Leckagen im Drucksystem nötig werden und bei Bedarf in die jeweiligen Behälter nachgefüllt werden. Die benötigte Menge wird während des Betriebes des vorgeschlagenen Systems über die Steuereinheit ermittelt und über einen Druckluftspeicher zugeführt.The proposed system essentially works with circulating water, which is expanded by the Pelton turbine and pumped back by means of high-pressure pumps in the pressure water tank. The system works with a small amount of supplementary air. Supplementary air may be required due to leaks in the pressure system and can be topped up in the respective containers if necessary. The required amount is determined during operation of the proposed system via the control unit and supplied via a compressed air reservoir.

Es kann eine Vergleichseinrichtung vorgesehen sein zum Vergleichen des momentanen Drucks im Druckwasserbehälter und/oder des momentanen Drucks im Druckluftbehälter und der momentanen Wassermenge im Druckwasserbehälter mit einem Solldruckwert. Die Vergleichseinrichtung ist derart ausgebildet, dass in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs dem Druckluftbehälter Druckluft aus einem Druckluftspeicher (Windkessel) zugeführt wird. Die durch Leckage entwichene Luft wird somit durch Ergänzungsluft ausgeglichen. Insbesondere ist der Druckluftspeicher mit einem Kompressor verbunden zur Förderung von Außenluft in den Druckluftspeicher. Mit anderen Worten, der Druckluftbehälter wird ausschließlich über einen vorgelagerten Druckluftspeicher, welcher durch einen Kompressor befüllbar ist, mit Druckluft befüllt.It may be provided for comparing the instantaneous pressure in the pressure water tank and / or the instantaneous pressure in the compressed air tank and the instantaneous amount of water in the pressure water tank with a target pressure value, a comparison device. The comparison device is designed such that, depending on the result of the comparison, compressed air is supplied to compressed air from a compressed air reservoir (air chamber). The leaked by leakage air is thus by supplementary air balanced. In particular, the compressed air reservoir is connected to a compressor for conveying outside air into the compressed air reservoir. In other words, the compressed air tank is filled exclusively with compressed air via an upstream compressed air reservoir, which can be filled by a compressor.

Mit Hilfe des Kompressors wird der Druck einmalig im Druckluftbehälter und Druckwasserbehälter vor Inbetriebnahme des Speicherkraftwerks je nach Auslegung auf einen Druck von 50, 100, 200 oder bis zu 1000 bar komprimiert. Nach Inbetriebnahme des Systems, d.h. während der Betriebsphase, in welcher das System als Kraftwerk zur Energiespeicherung und Energierückgewinnung genutzt wird, dient der Kompressor ausschließlich der Zuleitung von Druckluft in einen Druckluftspeicher, welcher dem Druckluftbehälter vorgeschaltet ist und nur dem Ersatz von Leckluft dient. Das Speicherkraftwerk kann somit bei Drucken von 50, 100, 200 oder bis zu 1000 bar betrieben werden.With the help of the compressor, the pressure is compressed once in the compressed air tank and pressurized water tank before commissioning of the storage power plant depending on the design to a pressure of 50, 100, 200 or up to 1000 bar. After startup of the system, i. during the operating phase, in which the system is used as a power plant for energy storage and energy recovery, the compressor is used exclusively for the supply of compressed air in a compressed air storage, which is upstream of the compressed air tank and only serves to replace the air leakage. The storage power plant can thus be operated at pressures of 50, 100, 200 or up to 1000 bar.

Es kann eine Steuereinheit vorhanden sein, welche ausgebildet ist, in Abhängigkeit der Auslastung eines mit dem System verbundenen oder verbindbaren öffentlichen oder nicht öffentlichen Stromnetzes, die Hochdruckpumpe mittels Strom aus dem öffentlichen Stromnetz anzusteuern, um Wasser aus einem Wasserspeicher in den Druckwasserbehälter zu pumpen, wenn im öffentlichen Stromnetz ein Energieüberschuss vorhanden ist. Druckwasser wird aus dem Druckwasserbehälter zur Turbine geleitet und der in dem an die Turbine angeschlossenen Generator erzeugte Strom dem öffentlichen Stromnetz zugeführt, wenn im öffentlichen Stromnetz ein Energiebedarf besteht. Mit dem vorgeschlagenen System kann so mit kurzen Reaktionszeiten entweder überschüssige Energie gespeichert oder gespeicherte Energie zur Verfügung gestellt werden.There may be a control unit which is designed to control the high-pressure pump by means of electricity from the public power grid, depending on the utilization of a connected to the system or connectable public or non-public power grid to pump water from a water reservoir in the pressurized water tank, if There is an excess of energy in the public electricity grid. Pressurized water is passed from the pressurized water tank to the turbine and the power generated in the generator connected to the turbine is supplied to the public power grid when there is an energy demand in the public power grid. The proposed system can be stored with short reaction times either excess energy or stored energy can be made available.

Die Energiespeicherung erfolgt ausnahmslos durch Rückführung des Kreislaufwassers mit Hochdruckpumpen in die Druckwasserbehälter. Dieser Vorgang erfolgt nur mit überschüssiger Energie aus dem öffentlichen Stromnetz. Die erforderliche Druckluft wird ebenfalls nur mit überschüssiger Energie aus dem öffentlichen Stromnetz erzeugt. Das erfindungsgemäße System kann in ca. 65 sec. von 0 auf 100 % hochgefahren werden. Lastwechsel erfolgen im Sekundenbereich. Die Hochdruckpumpen können so ausgelegt sein, dass sie ca. 25 sec. aus dem Stillsand auf 100 % Leistung gefahren werden können. Das Volumen der Druckluftbehälter und der Druckwasserbehälter kann so ausgelegt sein, dass das erfindungsgemäße System über eine Dauer von bis zu 4 h die volle Auslegungsleistung liefern kann.The energy storage takes place without exception by recycling the circulation water with high-pressure pumps in the pressurized water tank. This process takes place only with excess energy from the public grid. The required compressed air is also generated only with excess energy from the public grid. The system according to the invention can be raised from 0 to 100% in about 65 seconds. Load changes occur in seconds. The high-pressure pumps can be designed so that they can be driven out of the stillsands to 100% power for about 25 seconds. The volume of the compressed air tank and the pressurized water tank can be designed be that the inventive system over a period of up to 4 h can deliver the full design performance.

Diesbezüglich ist vorgeschlagen, dass die Steuereinheit ausgebildet ist, für den Fall der Energierückgewinnung die von der Gleichdruckturbine erzeugte Leistung durch Öffnung oder Schließen von mit der Gleichdruckturbine verbundenen Leitwerke (Wassereinlaufdüsen) zu regeln.In this regard, it is proposed that the control unit is designed, in the case of energy recovery, to regulate the power generated by the constant-pressure turbine by opening or closing turbofins (water inlet nozzles) connected to the constant-pressure turbine.

Vorteil der vorgeschlagenen Systeme ist, dass es nur einen geringen Flächenbedarf in Anspruch nimmt und an jeder beliebigen Stelle in der Nähe von Hochspannungsleitungen, Windparks, Solaranlagen oder Großverbrauchern aufstellbar ist. Ferner benötigt das vorgeschlagene System keine zusätzlichen Ressourcen. Aus Gründen der Sicherheit sei hier angemerkt, dass das erfindungsgemäße Speichersystem, insbesondere die Druckbehälter, zweckmäßig unterirdisch verbaut ist. Insbesondere kann das erfindungsgemäße System auf flachem oder abfallendem Gelände, auf kleinstem Raum aufgebaut werden. Nach Einlassen der Druckluft- und Druckwasserbehälter in die Erde werden diese abgedeckt und als Grünfläche oder Ackerland wieder genutzt. Somit wird die Umwelt minimal belastet und Ressourcen gegenüber üblichen Systemen erheblich geschont. Durch Unterbringung des Wasserspeichers zur Aufnahme des aus dem Turbinensystem entspannten Wassers unter dem Gebäude zur Aufnahme der Turbinen wird auch dafür keine zusätzliche Fläche benötigt. Gleichzeitig wird das System vor Verunreinigungen geschützt.Advantage of the proposed systems is that it takes only a small space requirement and can be set up at any point in the vicinity of power lines, wind farms, solar systems or large consumers. Furthermore, the proposed system does not require additional resources. For reasons of safety, it should be noted here that the storage system according to the invention, in particular the pressure vessels, is expediently installed underground. In particular, the system according to the invention can be constructed on flat or sloping terrain, in the smallest space. After the compressed air and pressurized water containers have been let into the earth, they are covered and reused as green space or arable land. Thus, the environment is minimally burdened and resources spared considerably compared to conventional systems. By housing the water reservoir to accommodate the relaxed from the turbine system water under the building to accommodate the turbines no additional space is needed for this. At the same time, the system is protected against contamination.

Die Erfindung sowie weitere Vorteile der Erfindung werden im Weiteren anhand von einer Figur näher erläutert. Die Figur zeigt ein erfindungsgemäßes System zur Energiespeicherung- und rückgewinnung mit Peltonturbine und Frequenzumrichter.The invention and further advantages of the invention are explained in more detail below with reference to a figure. The figure shows an inventive system for energy storage and recovery with Pelton turbine and frequency converter.

Die Figur zeigt ein erfindungsgemäßes System zur Energiespeicherung- und rückgewinnung mit einer Gleichdruckturbine und beispielhaft vier Druckluftbehältern 1 und zwei Druckwasserbehältern 2. Jeder Druckbehälter 1, 2 ist zweckmäßig als einwandiger Behälter ausgeführt. Jeder Behälter 1, 2 kann ein Volumen von bis zu 300000 m³ aufweisen und für einen Druck von bis zu 1000 bar ausgelegt sein.The figure shows an inventive system for energy storage and recovery with a constant pressure turbine and exemplified four compressed air tanks 1 and two pressurized water tanks 2. Each pressure vessel 1, 2 is suitably designed as a single-walled container. Each container 1, 2 may have a volume of up to 300,000 m ³ and be designed for a pressure of up to 1000 bar.

Jeder Druckluftbehälter 1 weist einen Einlass 1e für Druckluft und einen Auslass 1a für Druckluft auf. Der Einlass 1e eines Druckluftbehälters 1 steht in Verbindung mit einem Druckluftspeicher 18, welcher auch die Funktion eines Druckluftausgleichsbehälters übernimmt. Dieser Druckluftspeicher 18 ist mit einem Kompressor 17 verbunden, welcher komprimierte Außenluft dem Druckluftspeicher 18 zuführen kann. Die Stromversorgung des Kompressors 17 erfolgt durch ein an das System angeschlossenes oder anschließbares Stromnetz S. Das Nachfüllen von Druckluft aus dem Druckluftspeicher 18 in einen Druckluftbehälter 1 erfolgt, wie weiter unten erläutert, nach Bedarfsermittlung durch eine Steuer- und Vergleichseinheit 13.Each compressed air tank 1 has an inlet 1e for compressed air and an outlet 1a for compressed air. The inlet 1e of a compressed air tank 1 is in communication with a compressed air reservoir 18, which also assumes the function of a compressed air equalization tank. This compressed air reservoir 18 is connected to a compressor 17, which can supply compressed outside air to the compressed air reservoir 18. The power supply to the compressor 17 is effected by a power network S connected or connectable to the system. The replenishment of compressed air from the compressed air reservoir 18 into a compressed air tank 1 takes place, as explained below, according to demand determination by a control and comparison unit 13.

Die Steuer- und Vergleichseinheit 13 ist über eine Datenleitung 16 mit einem Regelventil 19 verbunden. Dieses Regelventil 19 ist zwischen dem Druckluftspeicher 18 und dem Druckluftbehälter 1, insbesondere zwischen dem Ausgang des Druckluftspeicher 18 und dem Eingang 1e eines Druckluftbehälters 1, angeordnet. Die Figur zeigt ein einzelnes Regelventil 19, welches vor den Eingängen 1e der vier Druckluftbehälter 1 angeordnet ist. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass zur individuellen Ansteuerung eines jeden Druckluftbehälters 1 jeweils ein Regelventil 19 am Eingang 1e eines Druckluftbehälters 1 angeordnet ist. Damit ist sichergestellt, dass während des Betriebs des Systems der Druck in dem System konstant gehalten werden kann, z.B. bei 500bar. Mittels der Steuer- und Vergleichseinheit 13 kann, wie weiter unten erläutert, ausgehend von der im Druckwasserbehälter 2 mittels der Sensoren SN ermittelten Wassermenge und dem zur Verfügung stehenden Volumen im Druckluftbehälter 1 und im Druckwasserbehälter 2 die für einen vorgegebenen Druck, z.B. 500bar, benötigte Menge an Druckluft ermittelt werden, welche gegebenenfalls aus dem Druckluftspeicher 18 über das Regelventil 19 in den Druckluftbehälter 1 nachgefüllt werden muss. Mittels des Sensors SD wird der Druck in einem Druckluftbehälter 1 gemessen. Die Sensoren SD, SN sind somit entsprechend über Datenleitungen 16 mit dem Regelventil 19 und der Steuer- und Vergleichseinheit 13 verbunden.The control and comparison unit 13 is connected via a data line 16 to a control valve 19. This control valve 19 is disposed between the compressed air reservoir 18 and the compressed air tank 1, in particular between the output of the compressed air reservoir 18 and the input 1e of a compressed air tank 1. The figure shows a single control valve 19, which is arranged in front of the entrances 1e of the four compressed air tank 1. Of course, it is also possible that for the individual control of each compressed air tank 1 each have a control valve 19 at the input 1e of a compressed air tank 1 is arranged. This ensures that during operation of the system the pressure in the system can be kept constant, e.g. at 500bar. By means of the control and comparison unit 13 can, as explained below, starting from the determined in the pressurized water tank 2 by the sensors SN amount of water and the available volume in the compressed air tank 1 and in the pressurized water tank 2 for a given pressure, e.g. 500bar, required amount of compressed air are determined, which may need to be refilled from the compressed air reservoir 18 via the control valve 19 in the compressed air tank 1. By means of the sensor SD, the pressure in a compressed air tank 1 is measured. The sensors SD, SN are thus connected via data lines 16 to the control valve 19 and the control and comparison unit 13.

Der Auslass 1a des Druckluftbehälters 1 ist über eine Druckleitung 5 mit dem Einlass 2e eines Druckwasserbehälters 2 verbunden. Nicht dargestellt sind Absperrventile welche zwischen dem Druckluftbehälter 1 und dem Druckwasserbehälter 2 angeordnet sind.The outlet 1a of the compressed air tank 1 is connected via a pressure line 5 to the inlet 2e of a pressurized water tank 2. Not shown are shut-off valves which are arranged between the compressed air tank 1 and the pressurized water tank 2.

Ferner sind nicht dargestellt Druckluftturbinen, welche zwischen dem Auslass 1a des Druckluftbehälters 1 und dem Einlass des Druckwasserbehälters 2 angeordnet sind.Further not shown are compressed air turbines, which are arranged between the outlet 1 a of the compressed air tank 1 and the inlet of the pressurized water tank 2.

Der Ausgang 2a eines Druckwasserbehälters 2 ist über ein Absperrventil 6 und eine Druckleitung 5 mit dem Einlass E3a der Gleichdruckturbine 3a verbunden. Die Ausgänge 2a der Druckwasserbehälter 2 befinden sich jeweils an der tiefsten Stelle der Druckwasserbehälter 2. Ferner sind die Ausgänge 2a der Druckwasserbehälter 2 über eine gemeinsame Druckleitung 5 miteinander verbunden. Diese Druckleitung 5 weist ein Gefälle in Richtung der Turbine 3a auf.The output 2a of a pressurized water container 2 is connected via a shut-off valve 6 and a pressure line 5 to the inlet E3a of the constant pressure turbine 3a. The outputs 2a of the pressurized water container 2 are each located at the lowest point of the pressurized water container 2. Furthermore, the outputs 2a of the pressurized water container 2 via a common pressure line 5 are interconnected. This pressure line 5 has a gradient in the direction of the turbine 3a.

Die Gleichdruckturbine 3a weist ein regelbares Leitwerk 7a auf, über welches der Auslaufdruck in die Gleichdruckturbine 3a und die Zulaufmenge in Gleichdruckturbine 3a reguliert werden kann. Dadurch kann die Ausgangsleistung der Turbine 3a geregelt werden. Hierzu sind die Einlaufleitwerke 7a über eine Datenleitung 16 mit der Steuer- und Vergleichseinheit 13 verbunden. Die Gleichdruckturbine 3a ist über eine gemeinsame Antriebswelle AW mit einem Generator 4 zur Energieerzeugung verbunden. Dieser Generator 4 ist an ein Stromnetz S angeschlossen oder mit einem Stromnetz S verbindbar.The constant-pressure turbine 3a has an adjustable tail unit 7a, via which the outlet pressure in the constant-pressure turbine 3a and the feed rate in the constant-pressure turbine 3a can be regulated. As a result, the output power of the turbine 3a can be regulated. For this purpose, the inlet guide 7 a via a data line 16 to the control and comparison unit 13 are connected. The constant pressure turbine 3a is connected via a common drive shaft AW with a generator 4 for generating energy. This generator 4 is connected to a power grid S or connectable to a power grid S.

Die Anordnung der Gleichdruckturbine 3a ist derart ausgebildet, dass das im Falle der Energierückgewinnung durch Gleichdruckturbine 3a geleitete Wasser aus dem Druckwasserbehälter 1 in einen Wasserspeicher 9 entspannt wird.The arrangement of the constant pressure turbine 3a is designed such that in the case of energy recovery by constant pressure turbine 3a conducted water from the pressurized water tank 1 is relaxed in a water reservoir 9.

Der Wasserspeicher 9 weist eine Vorkammer 10 auf zur Entnahme des Wassers im Falle der Energiespeicherung. Diese Vorkammer 10 weist eine Öffnung 10a auf, welche derart ausgeführt ist, dass die untere Begrenzung dieser Einlauföffnung 10a oberhalb des Bodens der Vorkammer 10 angeordnet ist. Die obere Begrenzung der Öffnung 10a ist unterhalb des Wasserspiegels (nicht dargestellt) im Wasserspeicher 9 angeordnet. Durch die Begrenzung wird verhindert, dass Schwereteile im Wasser in die Vorkammer 10 gelangen. Durch Eintauchen der oberen Kante unter den minimalen Wasserspiegel wird verhindert, dass lufthaltiges Wasser in die Vorkammer gelangt, was zu Störungen der Hochdruckpumpe 11 und Verunreinigungen im Druckwasserbehälter 2 führen kann. Die Verunreinigungen können zu Störungen in der Gleichdruckturbine 3a führen. Ferner wird verhindert, dass der durch die Wasserentspannung von der Gleichdruckturbine 3a erzeugte Schaum durch Mikrobläschen im Wasser, in die Vorkammer 10 und zur Hochdruckpumpe 11 gelangt.The water reservoir 9 has an antechamber 10 for removing the water in the case of energy storage. This pre-chamber 10 has an opening 10a, which is designed such that the lower boundary of this inlet opening 10a above the bottom of the pre-chamber 10 is arranged. The upper boundary of the opening 10a is disposed below the water level (not shown) in the water storage 9. The limitation prevents heavy parts from getting into the pre-chamber 10 in the water. By immersing the upper edge below the minimum water level prevents air-containing water enters the antechamber, which can lead to disturbances of the high pressure pump 11 and impurities in the pressurized water tank 2. The impurities can lead to disturbances in the constant pressure turbine 3a. Furthermore, it is prevented that by the water relaxation of the constant pressure turbine 3a generated foam through microbubbles in the water, enters the prechamber 10 and the high pressure pump 11.

An die Vorkammer 10 ist eine Hochdruckpumpe 11 angeschlossen. Die Hochdruckpumpe 12 fördert über eine Verbindungsleitung 12 Wasser aus der Vorkammer 10 in die Druckwasserbehälter 2. Die Stromversorgung der Hochdruckpumpe 11 erfolgt dazu aus dem angeschlossenen oder anschließbaren Stromnetz S. Darüber hinaus ist in der Verbindungsleitung 12 zwischen Hochdruckpumpe 11 und Druckwasserbehälter 2 ein Rückschlagventil 8 vorgesehen. Dieses Rückschlagventil 8 dient dazu, dass der während der Energiespeicherung aufgebaute Druck im Druckwasserbehälter 2 keine Rückkopplung auf die Hochdruckpumpe 11 bewirkt. Selbstverständlich kann der Druckwasserbehälter 2 am Zugang 2a der Verbindungsleitung 12 in den Druckwasserbehälter 2 ein Absperrventil (nicht dargestellt) aufweisen.To the prechamber 10, a high pressure pump 11 is connected. The power of the high-pressure pump 11 takes place from the connected or connectable power grid S. In addition, a check valve 8 is provided in the connecting line 12 between the high-pressure pump 11 and pressurized water tank 2 , This check valve 8 serves to ensure that the built-up during the energy storage pressure in the pressurized water tank 2 causes no feedback to the high-pressure pump 11. Of course, the pressurized water container 2 at the access 2a of the connecting line 12 in the pressurized water container 2, a shut-off valve (not shown).

Das System weist eine Steuer- und Vergleichseinheit 13 auf. Diese Steuer- und Vergleichseinheit 13 ist über eine Datenleitung 16 mit Drucksensoren SD im Druckluftbehälter 1 sowie mit Füllstandsensoren SN im Druckwasserbehälter 2 verbunden. Die Steuer- und Vergleichseinheit 13 umfasst eine Vergleichseinrichtung zum Vergleichen des momentanen Drucks im Druckwasserbehälter 2 bzw. des momentanen Drucks im Druckluftbehälter 1 und der momentanen Wassermenge im Druckwasserbehälter 2 mit einem Solldruckwert. Die Steuer- und Vergleichseinheit 13 ist derart eingerichtet, dass in Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs dem Druckluftbehälter 1 Druckluft aus dem Druckluftspeicher 18 über ein Regelventil 19 zugeführt wird.The system has a control and comparison unit 13. This control and comparison unit 13 is connected via a data line 16 with pressure sensors SD in the compressed air tank 1 and with level sensors SN in the pressurized water tank 2. The control and comparison unit 13 comprises a comparison device for comparing the instantaneous pressure in the pressurized water container 2 and the instantaneous pressure in the compressed air tank 1 and the instantaneous amount of water in the pressurized water container 2 with a desired pressure value. The control and comparison unit 13 is set up such that, depending on the result of the comparison, the compressed air tank 1 is supplied with compressed air from the compressed air reservoir 18 via a control valve 19.

Die Steuer- und Vergleichseinheit 13 ist mit einer Datenleitung 16 mit einem Netzrechner 15 eines angeschlossenen oder anschließbaren öffentlichen oder nicht öffentlichen Stromnetzes S verbunden. Über den Netzrechner 15 wird eine Anforderung an die Steuer- und Vergleichseinheit 13 gestellt, ob das System zur Energiegewinnung oder zur Energiespeicherung genutzt werden soll oder kann.The control and comparison unit 13 is connected to a data line 16 to a network computer 15 of a connected or connectable public or non-public power grid S. About the network computer 15, a request to the control and comparison unit 13 is made, whether the system is to be used for energy or energy storage or can.

Hierzu ist die Steuer- und Vergleichseinheit 13 über eine Datenleitung 16 mit den regelbaren Einlaufleitwerken 7a der Gleichdruckturbine 3a verbunden. Damit ist es möglich, die vom Netzrechner 15 des öffentlichen Stromnetzes angeforderte Leistung an die Turbine 3a einzustellen. Ferner ist die Steuer- und Vergleichseinheit 13 über eine Datenleitung 16 mit dem Absperrventil 6 verbunden. Damit wird sichergestellt, dass nur im Falle der Energierückgewinnung das Absperrventil 6 geöffnet wird und eine Verbindung zwischen Druckwasserbehälter 2 und der Gleichdruckturbine 3a hergestellt ist.For this purpose, the control and comparison unit 13 is connected via a data line 16 with the controllable inlet guide vanes 7a of the constant pressure turbine 3a. This makes it possible to adjust the power required by the network computer 15 of the public power grid to the turbine 3a. Furthermore, the control and comparison unit 13 via a Data line 16 connected to the shut-off valve 6. This ensures that only in the case of energy recovery, the shut-off valve 6 is opened and a connection between the pressurized water tank 2 and the constant pressure turbine 3a is made.

Ferner ist die Steuer- und Vergleichseinheit 13 über eine Datenleitung 16 mit einem Steuergerät (nicht dargestellt) der Hochdruckpumpe 11 verbunden. Damit ist es möglich, die aus dem Stromnetz S dem System zur Verfügung gestellte überschüssige Energie bei Bedarf in Förderung von Wasser in den Druckwasserbehälter 2 umzusetzen.Furthermore, the control and comparison unit 13 is connected via a data line 16 to a control device (not shown) of the high-pressure pump 11. It is thus possible to convert the excess energy supplied to the system from the power grid S into the pressurized water tank 2 as required in the transport of water.

Die Ausgänge 1a der beiden Druckluftbehälter 1 sind über eine Druckleitung 5 mit dem Eingang 2e eines Druckwasserbehälters 2 verbunden. Somit bilden zwei Druckluftbehälter 1 und ein Druckwasserbehälter 2 eine Gruppe (Speichergruppe). Selbstverständlich können auch mehrere Druckluftbehälter bzw. mehrere Druckwasserbehälter in einer Gruppe miteinander verbunden sein. Nicht dargestellt sind Absperrventile welche zwischen dem Eingang 2e eines Druckwasserbehälters 2 und einem Ausgang 1a eines Druckluftbehälters 1 innerhalb einer Gruppe vorhanden sind.The outputs 1a of the two compressed air tank 1 are connected via a pressure line 5 to the input 2e of a pressurized water tank 2. Thus, two compressed air tanks 1 and 2 pressurized water tank form a group (storage group). Of course, a plurality of compressed air tanks or a plurality of pressurized water tanks can be connected to one another in a group. Shut-off valves which are present between the inlet 2e of a pressurized water tank 2 and an outlet 1a of a compressed air tank 1 within a group are not shown.

Die Druckwasserbehälter 2 der Gruppen sind an den Ausgängen 2a mit der Gleichdruckturbine 3a verbunden. Hierbei sind die Ausgänge 2a der Druckwasserbehälter über eine Druckleitung 5 miteinander verbunden, wobei die Druckleitung 5 in Richtung des Sammlers ein Gefälle aufweist.The pressurized water tanks 2 of the groups are connected to the outputs 2a with the constant pressure turbine 3a. Here, the outputs 2a of the pressurized water tank via a pressure line 5 are interconnected, wherein the pressure line 5 in the direction of the collector has a gradient.

Bei dem dargestellten System wird das erforderliche Wasser vor Inbetriebnahme des Systems in die Druckwasserbehälter 2 gefüllt. Zweckmäßig erfolgt die erstmalige Befüllung des Druckwasserbehälters 2 nachdem der bzw. die Druckluftbehälter 1 mit Druckluft gefüllt sind. Der erforderliche Druck im Druckluftbehälter 1 bzw. Druckwasserbehälter 2 wird mit Hilfe des Kompressors 17 erzeugt und durch den Druckluftspeicher 18 in den bzw. die Druckluftbehälter 1 gefüllt. Je nach gefordertem Betriebsdruck wird der Druck in dem Druckluftbehälter 1 und damit in dem Druckwasserbehälter 2 auf 10, 50, 100, 200 oder 1000 bar erhöht.In the illustrated system, the required water is filled before starting the system in the pressurized water tank 2. Appropriately, the first-time filling of the pressurized water container 2 after the or the compressed air tank 1 is filled with compressed air. The required pressure in the compressed air tank 1 or pressurized water tank 2 is generated by means of the compressor 17 and filled by the compressed air reservoir 18 into or the compressed air tank 1. Depending on the required operating pressure, the pressure in the compressed air tank 1 and thus in the pressurized water tank 2 is increased to 10, 50, 100, 200 or 1000 bar.

Durch Anforderung von Energie durch den Netzrechner des Stromnetzes S wird über die Steuer- und Vergleichseinheit 13 das Absperrventil 6 zwischen Druckwasserbehälter 2 und der Gleichdruckturbine 3a geöffnet und somit das unter Druck stehende Wasser im Druckwasserbehälter 2 der Gleichdruckturbine 3a zugeführt. Die Menge des in die Gleichdruckturbine 3a strömenden Wassers wird über die Steuer- und Vergleichseinheit 13 geregelt. Dadurch wird die von der Gleichdruckturbine 3a erzeugte Leistung geregelt. Der an die Gleichdruckturbine 3a gekoppelte Generator 4 erzeugt die vom Netzrechner 15 des Stromnetzes S angeforderte Energiemenge und speist diese in das Stromnetz S ein.By requesting energy through the network computer of the power grid S, the shut-off valve 6 between the pressurized water tank 2 and the constant pressure turbine 3 a is opened via the control and comparison unit 13 and thus the pressurized water in Pressure water tank 2 of the constant pressure turbine 3a supplied. The amount of water flowing into the constant-pressure turbine 3a is controlled by the control and comparison unit 13. As a result, the power generated by the constant pressure turbine 3a is regulated. The coupled to the constant pressure turbine 3a generator 4 generates the requested by the network computer 15 of the power grid S amount of energy and feeds them into the power grid S.

Es ist somit möglich, dass die Steuer- und Vergleichseinheit 13 die Energierückgewinnung und die Energiespeicherung im System regelt. Die Steuer- und Vergleichseinheit 13 erhält über entsprechende Datenleitungen 16 vom Netzrechner 15 des Stromnetzes S Vorgaben bezüglich der jeweiligen Betriebsphase, d.h. ob sich das System in der Betriebsphase der Energierückgewinnung oder der Energiespeicherung befindet.It is thus possible that the control and comparison unit 13 regulates the energy recovery and the energy storage in the system. The control and comparison unit 13 receives via corresponding data lines 16 from the network computer 15 of the power grid S specifications relating to the respective operating phase, i. whether the system is in the operating phase of energy recovery or energy storage.

Mit der Antriebswelle AW der Gleichdruckturbine 3a ist ein Generator 4 und ein Frequenzumrichter 4a verbunden. Der Generator 4 ist hierbei zwischen Gleichdruckturbine 3a und Frequenzumrichter 4a geschaltet. Der Frequenzumrichter 4a ist mit dem öffentlichen Stromnetz S verbunden.With the drive shaft AW of the constant pressure turbine 3a, a generator 4 and a frequency converter 4a is connected. The generator 4 is in this case connected between constant-pressure turbine 3a and frequency converter 4a. The frequency converter 4a is connected to the public power grid S.

LIST OF REFERENCE NUMBERS

11: DruckluftbehälterAir receiver
1e1e: Eingangentrance
1a1a: Ausgangoutput
22: DruckwasserbehälterPressurized water tank
2e2e: Eingangentrance
2a2a: Ausgangoutput
3a3a: GleichdruckturbineImpulse turbine
E3aE3a: Eingang GleichlaufturbineInput synchronous turbine
A3aA3a: Ausgang GleichlaufturbineOutput synchronous turbine
AWAW: Antriebswelledrive shaft
44: Generatorgenerator
4a4a: Frequenzumrichterfrequency converter
55: Druckleitung/VerbindungsleitungPressure pipe / connection cable
66: Absperrventilshut-off valve
77: WassereinlaufleitwerkWater inlet tail
7a7a: WassereinlaufleitwerkWater inlet tail
88th: Rückschlagventilcheck valve
99: Wasserspeicherwater-tank
1010: Vorkammerantechamber
10a10a: Öffnungopening
1111: HochdruckwasserpumpeHigh pressure water pump
1212: Verbindungsleitungconnecting line
1313: Steuer- und VergleichseinheitControl and comparison unit
1515: Netzrechnernetwork computer
1616: Datenleitungdata line
1717: Kompressorcompressor
1818: DruckluftspeicherCompressed air storage
1919: Absperrventilshut-off valve
SS: Stromnetzpower grid
SNSN: Sensor NiveauSensor level
SDSD: Drucksensorpressure sensor

Claims

Energy storage and recovery system comprising at least one compressed air tank (1),
at least one pressurized water container (2) in communication with the compressed air tank (1),
at least one turbine (3a) operatively connected to the at least one pressurized water container (2), the turbine (3a) being a Pelton turbine, a generator (4) for generating electrical energy which is adapted to generate electrical voltage and which to a Frequency converter (4a) is connected to generate a constant voltage and frequency, wherein the frequency converter (4a) has an interface for connection to a public power grid (S) and
a high-pressure pump (11) for conveying water from a water reservoir (9) into the pressurized water container (2),
characterized in that
the at least one compressed air tank (1) is permanently in pressure equilibrium with the at least one pressurized water tank (2) such that during energy storage and recovery the pressure in the at least one compressed air tank (1) is equal to the pressure in the at least one pressurized water tank (2).

System according to one of the preceding claims, characterized in that in several pressurized water tanks (2) a connecting line is present, which connects the outlet of the pressurized water container (2), wherein the pressurized water container (2) are arranged to each other such that the connecting line has a gradient and at its lowest point comprises a collector which is connected to the inlet of the turbine (3, 3a).

System according to one of the preceding claims, characterized in that at the inlet of the turbine (3, 3a) a shut-off valve (6) is present.

System according to one of the preceding claims,

System according to one of the preceding claims, characterized in that between a compressed air tank (1) and a pressurized water tank (2) a compressed air turbine is present.

System according to one of the preceding claims, characterized in that between an outlet of a compressed air tank (1) and an inlet of a pressurized water tank (2) exactly one pressure line (5) is provided which is formed when energy storage compressed air from the pressurized water tank (2) to the compressed air tank (1) and, with energy recovery, direct compressed air from the compressed air tank (1) to the pressurized water tank (2).

System according to claim 6, characterized in that in the pressure line (5) a shut-off device is arranged, which is arranged to close the pressure line (5) in case of sudden pressure drop.

System according to one of the preceding claims, characterized in that the ratio of the volume of a pressurized water container (2) to the volume of a compressed air tank (1) is 1: 1, 1: 2, 1: 3 or 1: 4.

System according to one of the preceding claims, characterized in that a control and comparison unit (13) is provided, which is formed, depending on the utilization of a public power grid (S),
to control the high-pressure pump (11) by means of energy from the public power grid (S) to pump water from the water tank (9) in the pressurized water tank (2), if in the public power grid (S) there is an excess of energy
or to direct pressurized water from the pressurized water container (2) to the at least one turbine (3, 3a) and to supply the energy generated in the generator (4, 4a) to the public power grid (S) when there is an energy demand in the public power grid (S).

System according to claim 9, characterized in that the control unit (S) is designed, in the case of energy recovery, to generate the power generated by at least one turbine (3, 3a) by opening or closing water inlet nozzles (3, 3a) connected to the turbine (3, 3a). 7).

System according to one of the preceding claims, characterized in that a control and comparison unit (13) is provided for comparing the instantaneous pressure in the pressurized water tank (2) and the instantaneous pressure in the compressed air tank (1) and the instantaneous amount of water in the pressurized water tank (2) a setpoint pressure value, wherein the control and comparison unit (14) is designed such that, depending on the result of the comparison, the compressed air tank (1) is supplied with compressed air from a compressed air reservoir (18).