EP3914822A1 - Method and device for storing energy - Google Patents

Method and device for storing energy

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Publication number
EP3914822A1
EP3914822A1 EP19828551.2A EP19828551A EP3914822A1 EP 3914822 A1 EP3914822 A1 EP 3914822A1 EP 19828551 A EP19828551 A EP 19828551A EP 3914822 A1 EP3914822 A1 EP 3914822A1
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EP
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container
water
ballast
sea
pneumatic
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Pending
Application number
EP19828551.2A
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German (de)
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Inventor
Mauro Pedretti
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Original Assignee
Individual
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Pending legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
    • F02C6/14—Gas-turbine plants having means for storing energy, e.g. for meeting peak loads
    • F02C6/16—Gas-turbine plants having means for storing energy, e.g. for meeting peak loads for storing compressed air
    • 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
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B17/00—Other machines or engines
    • F03B17/02—Other machines or engines using hydrostatic thrust
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J15/00—Systems for storing electric energy
    • H02J15/003—Systems for storing electric energy in the form of hydraulic energy
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J15/00—Systems for storing electric energy
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/20—Hydro energy
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    • Y02P90/00—Enabling technologies with a potential contribution to greenhouse gas [GHG] emissions mitigation
    • Y02P90/50—Energy storage in industry with an added climate change mitigation effect

Definitions

  • the present invention relates to a method for storing energy according to claim 1 and a pneumatic energy store according to claim 6.
  • Concrete containers with a diameter of 30 m and a wall thickness of 3 m are to be positioned at a depth of 600 m to 800 m and connected to a power plant on land via a power line, with a storage capacity of 20 MWh per container.
  • Each concrete container has an equalization line that connects its interior with the surrounding sea.
  • the container is partially or completely formed from flexible walls, it can be made particularly simple and inexpensive.
  • the anchoring can also be carried out easily and cheaply, e.g. by simply covering the container with the seabed dredged in its vicinity, which does not pose any major problems even at depths of 800 m.
  • the flexible container can absorb local deformations at the bottom or through the ballast, which considerably simplifies the installation of an energy store according to the invention on the bottom of a body of water and contributes to the low overall costs of energy storage.
  • FIG. 1 schematically shows a pneumatic energy store according to the invention
  • FIG. 2a shows the pressure conditions in the energy store according to FIG. 1 when it is filled with compressed fluid
  • FIG. 2b shows the pressure conditions in the energy store according to FIG. 1 when the compressed fluid has been removed from it
  • FIG. 3 shows schematically the container of the pneumatic energy store, with flexible walls adapted to the surroundings
  • FIG. 4 schematically, yet another embodiment of the pneumatic energy store according to the invention
  • Figure 5 is a diagram relating to the cost of energy storage
  • FIG. 6 shows a diagram relating to the storage capacity.
  • FIG. 1 schematically shows a cross section through a preferred embodiment of the pneumatic energy store 1 according to the invention, which has a container 2, all of its outer walls 3 being made of a flexible material.
  • the energy storage 1 be found below a water surface 4 and rests with a wall section 5 on the bottom 6 of a body of water such as a sea, a lake or a reservoir.
  • the flexible walls 3 are preferably formed from a plastic membrane which has polyester / PVC, rubber or coated polyester fabric. Other fabrics, for example with glass fiber, Kevlar or other synthetic fabrics can also be used.
  • the flexible len walls 3 can also be partially rigid in the specific case, for example in the area of the wall section 5 resting on the floor or at the location of a pressure line 7 for compressible fluid to be stored or at the location of a compensating line 8 which connects the container 2 with the surrounding water connects.
  • the entire container 2 is preferably formed by a flexible material.
  • the pressure line 7 is arranged on an upper region of the container 2 and is preferably connected to a compressor turbine arrangement 10, which is only symbolically shown in the figure, and which is more preferably located on land and by the energy of a power plant (for example a solar power plant or a wind power plant or a different type of power plant) is driven.
  • a compressor of the compressor turbine arrangement 10 can, for example, suck in ambient air (or another, compressible fluid), compress it and pump it through the pressure line 7 into the container 2.
  • a turbine of the compressor turbine arrangement 10 can be driven by compressed fluid (for example air) originating from the container 2 and thus generate electricity, for example.
  • an existing valve in the pressure line 7 for its closure or opening is removed.
  • the compensating line 8 is arranged on a lower region of the container 2 and has an opening 11, which is preferably in the region of the height of the wall section 5, ie in the region of the bottom 6 of the water.
  • a pump turbine arrangement 12 which is only shown symbolically here, is also connected to the compensation line 8.
  • the double arrow 14 shows the two flow directions through the compensating line 8 and the pump turbine arrangement 12.
  • a valve for the closing or opening of the compensating line 8 is just not shown in this figure to relieve the figure.
  • the pump tubing arrangement 12 is preferably located on the bottom 6 of the water, but can also be provided on land, for example at the location of the compressor turbine arrangement 10.
  • the container 2 is covered with ballast 15 in such a way that it rests on the base 2 in an operationally reliable manner even when the energy store 1 is fully loaded.
  • the ballast 15 preferably completely covers the container 2, as shown in the figure. More preferably, the ballast 15 consists of bulk material such as gravel or sand, with material for the ballast 15 also or exclusively being used for the reason 6, for example at the location of the energy store 1 (it is possible today with low costs, even in considerable amounts) Deep dredging the seabed and deliberately depositing the material).
  • the container 2 is preferably provided with a flat contour, such that its horizontal dimension b is a multiple of its height h, preferably twice or more, particularly preferably triple or more, very particularly preferably five times or ten times or more.
  • a contour allows, for example, the lens shape indicated in the figure, which is particularly advantageous with regard to the use of bulk material as ballast 15. Therefore, the inclination of an upper wall section 17 of the container 2 is more preferably kept below 30 degrees. It should be noted at this point that the ballast 15 must at least compensate for its buoyancy at every location of the container 2, so that less ballast 15 is required at the edges of the container 2 than in its central region in the lens shape shown in the figure, which is shown by the different thickness of the ballast 15 shown.
  • the container 2 is provided with webs 9 which serve to give the container 2 a desired shape or to define its contour.
  • the webs 9 are preferably tensile and can be made of the same flexible material as the flexible walls of the container 2.
  • the webs 9 are ten case in connection with the provided ballast 15 arranged such that the container 2 retains the intended contour during operation and can be operated with the intended operating volume.
  • FIG. 1 the dotted lines further show an imaginary area 16 of the container 2, which extends over its entire flea h.
  • the flea of the water column of the water from the bottom 6 to the water surface is Fl.
  • this imaginary area 16 the pressure conditions in the underwater energy store according to the invention are explained below in the description of FIGS. 2a and 2b.
  • the container 2 of the underwater energy store is only partially provided with flexible outer walls 3.
  • Rigid outer walls 3 can be provided in the specific case, for example at the location of the compressed air line 7 or the compensating line 8, or also in the floor or ceiling area of the container 2.
  • An advantage of the present invention is that the container only has to be designed for a pressure load in the amount of the pressure of a water column from the fleas h of the container - the depth of the sea or lake bottom 6 or the fleas Fl up to the water surface 4 does not matter, s. in addition, as mentioned, the description below for FIGS. 2a and 2b.
  • the result is a method for storing energy in the form of a compressed fluid which is pumped into a container (2) arranged under a water surface for storing energy, the container (2) being located on a sea bed (6) or a lake bed ( 6) arranged and weighed down by ballast (15) in such a way that it is pressed against the sea or lake bed in the operating position (6) even when fully filled by the compressible fluid, and according to the volume of the container (2 ) Compressed fluids from a pre-existing filling of water emitted it into the surrounding water, and, according to the volume of the compressed fluid removed from the container (2), surrounding water flows back into the container (2), water used in the container (2) being used to drive a turbine and Water flowing into the container (2) is pumped into it.
  • a corresponding pneumatic underwater energy store has a container (2) for compressible fluid, the container (2) resting on a sea bed or lake bed (6) and covered by ballast (15) such that it is fully loaded by the compressible Fluid remains pressed against the sea floor or lake bed (6), a pressure line (7) for compressible fluid opening into an upper region of the container (2), and an equalization line (8) provided in a lower region of the container (2) ) connects the inside of the container (2) with the surrounding water, and a pump-turbine arrangement (12) connected to the compensation line (8) is also provided, which is designed to operate the underwater energy store (1) via the compensation line (8) according to the volume of the inflowing compressible fluid to release water from the container (2) by a turbine into the surrounding water and according to the volume n Pump water surrounding compressible fluid released from the container (2) into the container by means of a pump.
  • FIG. 2a shows the imaginary area 16 in the container 2 (see also FIG. 1) when it is completely loaded with compressed fluid, preferably air.
  • compressed fluid preferably air.
  • This air generates a buoyancy symbolized by the vector A corresponding to the water displaced by it, here accordingly the volume of the imaginary region 16.
  • the weight of the symbolized by the vector B must Ballasts 15 correspond at least to the buoyancy A, so that its weight corresponds at least to the weight of the water displaced by the air.
  • the vector W symbolizes the weight of the water over the imaginary area 16.
  • F denotes the cross-sectional area of the imaginary area 16.
  • the energy storage device 1 is filled with compressible fluid, there is therefore an overpressure in relation to the surrounding water, which increases with the fleas h and corresponds to the pressure in a water column with this fleas.
  • This overpressure is independent of the depth of the bottom 6 or the fleas Fl of the water.
  • FIG. 2b shows the imaginary area 16 in the container 2 when it has no compressed fluid and is therefore completely filled with water.
  • pl FHy
  • the fleas h is small compared to its width b, i.e. its (over) pressure load low.
  • the ballast 15 can absorb this pressure load with a suitable design, which allows the container 2 to be made from a flexible material that does not have to show any special properties, that is to say can be manufactured cheaply.
  • the webs 9 ( Figure 1) keep the contour of the loading container 2 in the desired shape.
  • the container 2 preferably switches back and forth between a state loaded with compressible fluid according to FIG. 2a and a state filled with water according to FIG. 2b, in that the container 2 cyclically, for example, via the compressor of the compressor turbine arrangement 10 filled with compressed air and emptied via its turbine.
  • the energy store 1 it is also possible to run the energy store 1 with an irregular cycle, ie to fill the container 2 only partially with compressible fluid.
  • the exchange of compressed fluid (air) and water into and out of the container 2 is always volume-neutral, ie the volume of the water flowing in and out of the container corresponds to the volume of the compressed fluid pumped into or removed from the container 2.
  • FIG. 3 shows a cross section through the container 2 of the energy store 1 or 20 in the operating state, the illustration being somewhat exaggerated due to a real deformation of the container 2 compared to the ideal contour.
  • the pressure line 7, the compensation line 8 and the compressor turbine arrangement 10 (FIG. 1) are omitted.
  • Flexible wall sections 23 of the container 2 easily adapt to the contour of the sea or lake bed, as well as upper, flexible wall sections 24 with a view of the ballast 15 and the pressure exerted by the ballast 15 (deformations also during loading of the container 2 with ballast 15 or in operation during loading or unloading of the energy store 1.20).
  • An expensive, rigid and pressure-resistant design is unnecessary, and in addition a container 2 formed by a flexible membrane is not only inexpensive to manufacture, but also inexpensive to position on the sea floor and to be loaded with ballast.
  • FIG. 4 shows an alternative arrangement of a plurality of containers 24 of a pneumatic energy store 30.
  • These containers can be spherical or tubular and can be embedded in a prepared fill 25 on the sea bed or lake bed.
  • a filling can be provided in the specific case, e.g. on partially rocky or very uneven ground, e.g. when it must be assumed that the flexible membrane of the container could be overstressed locally during operation.
  • a possible local filling is less expensive than other constructions with rigid containers. Most of the sandy formations of the sea or lake bed can be avoided in a specific case.
  • FIGS. 5 and 6 show an estimate for the cost of the stored energy in the diagram 35 and for the amount of energy that can be stored as a function of the water depth in the diagram 36.
  • the rough calculation is based on an energy store according to the present invention, which is carried out completely has a flexible membrane formed container for compressed air, the container lying on the seabed at a depth of 40m and covered by sea sand which has been sucked in by a suction dredger and laid on the container.
  • the inclination of the flexible membrane at the edge of the container ters 30 degrees, which is lenticular and has a diameter of 50m and a maximum height (in the middle) of 6.7m.

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Abstract

The method according to the invention relates to the storage of energy in the form of a compressed fluid which is pumped into a container (2) arranged below a water surface (4) to store the energy, wherein the fluid entering the container displaces an existing content, comprising water, from the container and into the surrounding water, and compressed fluid is removed from the container (2) to remove energy, wherein surrounding water flows back into the container according to the volume of the removed, compressed fluid, characterized in that the container (2) is provided with flexible walls at least in some parts and is arranged on a seabed (6) or lake bed (6) and there is covered by ballast (15) such that it is pressed against the substrate even when completely filled with compressed fluid.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Speichern von Energie Method and device for storing energy
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Speichern von Energie nach Anspruch 1 sowie einen pneumatischen Energiespeicher nach Anspruch 6. The present invention relates to a method for storing energy according to claim 1 and a pneumatic energy store according to claim 6.
Die Speicherung von Energie durch Pumpspeicherwerke ist breit bekannt und etabliert. Es besteht jedoch ein zunehmendes Bedürfnis, Energie nicht nur in Gegenden mit entsprechen der Topografie speichern zu können, sondern auch dort wo sie anfällt, beispielsweise in der Nähe von Windkraftwerken oder anderen alternativen Energieerzeugern. Windkraftwerke sind oft in Küstennahen Meeresgebieten vorhanden oder projektiert, Solaranlagen oft in küs tennahen Gebieten. The storage of energy by pumped storage plants is widely known and established. However, there is an increasing need to be able to store energy not only in areas with the appropriate topography, but also where it is generated, for example in the vicinity of wind power plants or other alternative energy generators. Wind power plants are often available or planned in coastal areas, and solar systems are often located in coastal areas.
Entsprechend sind Lösungen zur Speicherung von komprimierter Luft bekannt geworden, wobei die Luft unter der Meeresoberfläche gespeichert wird, also unter dem Druck des um gebenden Wassers gespeichert werden kann. Accordingly, solutions for storing compressed air have become known, the air being stored below the surface of the sea, that is to say it can be stored under the pressure of the surrounding water.
Eine dieser Lösungen sieht vor, Ballons aus flexiblem Material am Meeresgrund zu veran kern, wobei dann diese Ballons von unten her mit komprimierter Luft gefüllt werden, sich dabei aufblasen und komprimierte Luft aufnehmen können, bis sie vollständig gefüllt sind. Diese Ballons generieren natürlich einen erheblichen Auftrieb und müssen entsprechend verankert werden. Die Verankerung ist dabei so gelöst, dass ein Raster von mit Schüttgut ge füllten Ballastbehältern am Meeresgrund angeordnet wird, wobei die Ballons zwischen den Ballastbehältern durch Ankerseile an diesen festgelegt werden. Dieser Anordnung ist nachtei lig, dass für eine industrielle Anwendung die Ballons gross sein müssen und damit im gefüll ten Zustand einen sehr grossen Auftrieb aufweisen, der wiederum nach einer entsprechend belastungsfähigen Struktur der Ballastbehälter und ihrer Verbindungen verlangt. Zudem sind solche Ballons der Meeresströmung ausgesetzt, was nicht nur die auf die Ballastbehälter wir kenden Kräfte erhöht, sondern auch eine bewegliche Anordnung der Ballone an ihrer Veran kerung und an den Zufuhrleitungen für die komprimierte Luft notwendig macht. Soll die Luft für eine grössere Speicherkapazität hinreichend komprimiert werden, muss die ganze Anord nung in grösserer Tiefe vorgesehen werden. Im Ganzen erscheint der dann notwendige Auf wand für eine konkurrenzfähige Speicherung von Energie zu hoch. Entsprechend ist eine weitere Lösung zur Speicherung von Energie in Form von Strom durch das Projekt StEnSEA - "Stored Energy in the Sea" des Frauenhofer Instituts bekannt gewor den. Betonbehälter mit einem Durchmesser von 30 m und einer Wandstärke von 3 m sollen auf einer Tiefe von 600 m bis 800 m positioniert und mit einem Kraftwerk an Land über eine Stromleitung verbunden werden, wobei eine Speicherkapazität von 20 MWh pro Behälter vorgesehen ist. Jeder Betonbehälter weist eine Ausgleichsleitung auf, die sein Inneres mit dem umgebenden Meer verbindet. Wenn der Speicher zu speichernde Energie in Form von Strom aufnimmt, wird über eine Elektropumpe Wasser aus der Kugel herausgepumpt. Soll der gespeicherte Strom abgerufen werden, strömt Wasser durch eine Turbine in die leere Kugel hinein und erzeugt über einen Generator Strom, der über die Stromleitung zurück an Land fliesst. One of these solutions provides for balloons made of flexible material to be anchored to the sea floor, in which case these balloons are filled from below with compressed air, which can inflate and absorb compressed air until they are completely filled. Of course, these balloons generate considerable buoyancy and must be anchored accordingly. The anchoring is solved in such a way that a grid of ballast containers filled with bulk material is arranged on the sea floor, the balloons between the ballast containers being fixed to them by anchor cables. This arrangement is disadvantageous that the balloons must be large for an industrial application and thus have a very large buoyancy in the filled state, which in turn requires a correspondingly resilient structure of the ballast container and its connections. In addition, such balloons are exposed to the ocean current, which not only increases the forces acting on the ballast container, but also makes a movable arrangement of the balloons necessary for their anchoring and on the supply lines for the compressed air. If the air is to be compressed sufficiently for a larger storage capacity, the entire arrangement must be provided at a greater depth. Overall, the effort required for a competitive storage of energy seems too high. Accordingly, another solution for storing energy in the form of electricity has become known through the StEnSEA - "Stored Energy in the Sea" project by the Frauenhofer Institute. Concrete containers with a diameter of 30 m and a wall thickness of 3 m are to be positioned at a depth of 600 m to 800 m and connected to a power plant on land via a power line, with a storage capacity of 20 MWh per container. Each concrete container has an equalization line that connects its interior with the surrounding sea. When the storage takes up energy to be stored in the form of electricity, water is pumped out of the ball by an electric pump. If the stored electricity is to be called up, water flows through a turbine into the empty ball and generates electricity via a generator that flows back to shore via the power line.
Nachteilig ist diesem Konzept aber wiederum, dass es für die industrielle Speicherung von Energie hohe Kosten verursacht. Die Fierstellung einer genügenden Anzahl von Betonbehäl tern mit den oben genannten Dimensionen und Beanspruchbarkeit teuer, ebenso deren Ver ankerung in einer Tiefe von 600 m bis 800 m. Im Ganzen erscheint der dann notwendige Aufwand eine konkurrenzfähige Speicherung von Energie zu vereiteln. However, this concept has the disadvantage that it causes high costs for the industrial storage of energy. The positioning of a sufficient number of concrete containers with the dimensions and durability mentioned above is expensive, as is their anchoring at a depth of 600 m to 800 m. All in all, the effort required then seems to thwart a competitive storage of energy.
Entsprechend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrich tung für die Speicherung von Energie zu schaffen, das eine vergleichsweise günstige Speiche rung erlaubt. Accordingly, it is the object of the present invention to provide a method and a device for storing energy, which allows a comparatively cheap storage.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 oder durch ei nen pneumatischen Unterwasser-Energiespeicher mit den Merkmalen von Anspruch 7 gelöst. This object is achieved by a method having the features of claim 1 or by a pneumatic underwater energy store having the features of claim 7.
Dadurch, dass entsprechend dem Volumen des dem Behälter des Energiespeicher zugeführ ten oder entnommenen komprimierbaren Fluids Wasser aus dem Behälter abgegeben oder wieder in diesen aufgenommen wird, reduziert sich dessen Druckbelastung auf ein nur von seiner Bauhöhe abhängiges, aber von seinem Standort in der Tiefe unabhängiges Minimum, was eine einfache und kostengünstige Herstellung des Energiespeichers erlaubt. Dadurch, dass über das abgegebene Wasser eine Turbine angetrieben wird, steht Energie zur Verfü gung, mit der umgebendes Wasser wieder in den Behälter zurück gepumpt werden kann, so dass insofern der Betrieb des Energiespeichers bis auf den Wirkungsgrad der Pumpen- Turbinenanordnung energieneutral erfolgen kann. Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung besitzen Merkmale gemäss den abhängigen Ansprüchen. Characterized in that according to the volume of the compressible fluid supplied or removed from the container of the energy store, water is released from the container or taken up again in it, the pressure load thereof is reduced to a minimum which is dependent only on its overall height but is independent of its location in depth , which allows a simple and inexpensive manufacture of the energy storage. Due to the fact that a turbine is driven via the discharged water, energy is available with which the surrounding water can be pumped back into the container, so that the operation of the energy store can be energy-neutral except for the efficiency of the pump-turbine arrangement. Preferred embodiments of the present invention have features according to the dependent claims.
Wird der Behälter teilweise oder vollständig aus flexiblen Wänden gebildet, kann er beson ders einfach und günstig ausgebildet werden. Dadurch, dass der flexible Behälter auf den Meeresgrund gelegt und durch Ballast bedeckt wird, kann die Verankerung ebenfalls einfach und günstig ausgeführt werden, z.B. durch einfaches Bedecken des Behälters mit in dessen Nachbarschaft ausgebaggertem Meeresgrund, was selbst in Tiefen von 800 m keine grösse ren Probleme bietet. Der flexible Behälter kann lokale Verformungen am Grund oder durch den Ballast aufnehmen, was die Errichtung eines erfindungsgemässen Energiespeichers auf dem Grund eines Gewässers erheblich vereinfacht und zu den geringen Gesamtkosten der Energiespeicherung beiträgt. If the container is partially or completely formed from flexible walls, it can be made particularly simple and inexpensive. By laying the flexible container on the sea floor and covering it with ballast, the anchoring can also be carried out easily and cheaply, e.g. by simply covering the container with the seabed dredged in its vicinity, which does not pose any major problems even at depths of 800 m. The flexible container can absorb local deformations at the bottom or through the ballast, which considerably simplifies the installation of an energy store according to the invention on the bottom of a body of water and contributes to the low overall costs of energy storage.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren noch etwas näher beschrieben. The invention is described in more detail below with reference to the figures.
Es zeigt: It shows:
Figur 1 schematisch einen erfindungsgemässen pneumatischen Energiespeicher, FIG. 1 schematically shows a pneumatic energy store according to the invention,
Figur 2a die Druckverhältnisse im Energiespeicher gemäss Fig 1, wenn dieser mit komprimier tem Fluid gefüllt ist, 2a shows the pressure conditions in the energy store according to FIG. 1 when it is filled with compressed fluid,
Figur 2b die Druckverhältnisse im Energiespeicher gemäss Fig 1, wenn aus diesem das kom primiertem Fluid entnommen worden ist, 2b shows the pressure conditions in the energy store according to FIG. 1 when the compressed fluid has been removed from it,
Figur 3 schematisch den Behälter des pneumatischen Energiespeichers, mit an die Umge bung angepassten flexiblen Wänden, FIG. 3 shows schematically the container of the pneumatic energy store, with flexible walls adapted to the surroundings,
Figur 4 schematisch noch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemässen pneumati schen Energiespeichers, FIG. 4 schematically, yet another embodiment of the pneumatic energy store according to the invention,
Figur 5 ein Diagramm betreffend die Kosten der Energiespeicherung, und Figure 5 is a diagram relating to the cost of energy storage, and
Figur 6 ein Diagramm betreffend die Speicherkapazität. Figur 1 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform des er- findungsgemässen pneumatischen Energiespeicher 1, der einen Behälter 2 aufweist, wobei alle seine Aussenwände 3 aus einem flexiblen Material bestehen. Der Energiespeicher 1 be findet sich unterhalb einer Wasseroberfläche 4 und ruht mit einem Wandabschnitt 5 auf dem Grund 6 eines Gewässers wie eines Meeres, eines Sees oder eines Stausees. Bevorzugt sind die flexiblen Wände 3 aus einer Kunststoff-Membran gebildet, die Polyester/PVC, Gummi oder beschichtete Polyestergewebe aufweist. Auch andere Gewebe, beispielsweise mit Glas faser, Kevlar oder andere synthetische Gewebe können zur Anwendung kommen. Die flexib len Wände 3 können im konkreten Fall auch teilweise starr ausgebildet sein, beispielswiese im Bereich des auf dem Boden ruhenden Wandabschnitts 5 oder am Ort einer Druckleitung 7 für zu speicherndes, komprimierbares Fluid oder am Ort einer Ausgleichsleitung 8, welche den Behälter 2 mit dem umgebenden Wasser verbindet. Bevorzugt wird jedoch der gesamte Behälter 2 durch ein flexibles Material gebildet. 6 shows a diagram relating to the storage capacity. FIG. 1 schematically shows a cross section through a preferred embodiment of the pneumatic energy store 1 according to the invention, which has a container 2, all of its outer walls 3 being made of a flexible material. The energy storage 1 be found below a water surface 4 and rests with a wall section 5 on the bottom 6 of a body of water such as a sea, a lake or a reservoir. The flexible walls 3 are preferably formed from a plastic membrane which has polyester / PVC, rubber or coated polyester fabric. Other fabrics, for example with glass fiber, Kevlar or other synthetic fabrics can also be used. The flexible len walls 3 can also be partially rigid in the specific case, for example in the area of the wall section 5 resting on the floor or at the location of a pressure line 7 for compressible fluid to be stored or at the location of a compensating line 8 which connects the container 2 with the surrounding water connects. However, the entire container 2 is preferably formed by a flexible material.
Die Druckleitung 7 ist an einem oberen Bereich des Behälters 2 angeordnet und bevorzugt mit einer in der Figur nur symbolisch dargestellten Kompressor-Turbinenanordnung 10 ver bunden, die sich weiter bevorzugt an Land befindet und durch die Energie eines Kraftwerks (z.B. ein Solarkraftwerk oder ein Windkraftwerk oder ein Kraftwerk anderer Art) angetrieben wird. Dadurch kann für die Beladung des Energiespeichers (1) ein Kompressor der Kompres sor-Turbinenanordnung 10 beispielsweise Umgebungsluft (oder ein anderes, komprimierba res Fluid) ansaugen, verdichten und durch die Druckleitung 7 in den Behälter 2 pumpen. Zu dem kann für die Entladung des Energiespeichers (1) eine Turbine der Kompressor- Turbinenanordnung 10 durch aus dem Behälter 2 stammendem komprimiertem Fluid (z.B. Luft) angetrieben werden und so beispielsweise Strom erzeugen. Zur Entlastung der Figur ist ein in der Druckleitung 7 vorhandenes Ventil für deren Schliessung bzw. Öffnung weggelas sen. Gezeigt sind jedoch durch den Doppelpfeil 13 die beiden Strömungsrichtungen des komprimierbaren Fluids durch die Druckleitung 7 und durch die Kompressor-Turbinenano rdnung 10. Es ergibt sich, dass bevorzugt das Innere des Behälters (2) in einem oberen Be reich mit einer zur Wasseroberfläche führenden Druckleitung (7) für komprimiertes Fluid ver sehen und bevorzugt weiter eine Turbine (10) vorgesehen wird, die durch aus dem Behälter (2) ausströmendes komprimiertes Fluid angetrieben wird. Die Ausgleichsleitung 8 ist an einem unteren Bereich des Behälters 2 angeordnet und weist eine Mündung 11 auf, die bevorzugt im Bereich der Höhe des Wandabschnitts 5, d.h. im Be reich des Grunds 6 des Gewässers liegt. Mit der Ausgleichsleitung 8 ist weiter eine hier nur symbolisch dargestellte Pumpen-Turbinenanordnung 12 verbunden. Der Doppelpfeil 14 zeigt die beiden Strömungsrichtungen durch die Ausgleichsleitung 8 und die Pumpen-Turbinen anordnung 12. Ein Ventil für die Schliessung bzw. Öffnung der Ausgleichsleitung 8 ist eben falls zur Entlastung der Figur in dieser nicht dargestellt. Bevorzugt befindet sich die Pumpen- Trubinenanordnung 12 auf dem Grund 6 des Gewässers, kann aber auch an Land vorgesehen werden, beispielsweise am Ort der Kompressor-Turbinenanordnung 10. The pressure line 7 is arranged on an upper region of the container 2 and is preferably connected to a compressor turbine arrangement 10, which is only symbolically shown in the figure, and which is more preferably located on land and by the energy of a power plant (for example a solar power plant or a wind power plant or a different type of power plant) is driven. As a result, for the loading of the energy store (1), a compressor of the compressor turbine arrangement 10 can, for example, suck in ambient air (or another, compressible fluid), compress it and pump it through the pressure line 7 into the container 2. In addition, for the discharge of the energy store (1), a turbine of the compressor turbine arrangement 10 can be driven by compressed fluid (for example air) originating from the container 2 and thus generate electricity, for example. To relieve the figure, an existing valve in the pressure line 7 for its closure or opening is removed. However, are shown by the double arrow 13, the two flow directions of the compressible fluid through the pressure line 7 and through the compressor-Turbinenano rdnung 10. It follows that preferably the interior of the container (2) in an upper region with a pressure line leading to the water surface (7) for compressed fluid and preferably see a turbine (10) is provided which is driven by compressed fluid flowing out of the container (2). The compensating line 8 is arranged on a lower region of the container 2 and has an opening 11, which is preferably in the region of the height of the wall section 5, ie in the region of the bottom 6 of the water. A pump turbine arrangement 12, which is only shown symbolically here, is also connected to the compensation line 8. The double arrow 14 shows the two flow directions through the compensating line 8 and the pump turbine arrangement 12. A valve for the closing or opening of the compensating line 8 is just not shown in this figure to relieve the figure. The pump tubing arrangement 12 is preferably located on the bottom 6 of the water, but can also be provided on land, for example at the location of the compressor turbine arrangement 10.
Der Behälter 2 ist mit Ballast 15 bedeckt, derart, dass dieser auch bei vollständiger Beladung des Energiespeichers 1 noch betriebssicher auf dem Grund 2 ruht. Bevorzugt überdeckt der Ballast 15 den Behälter 2 vollständig, wie dies in der Figur gezeigt ist. Weiter bevorzugt be steht der Ballast 15 aus Schüttgut wie Kies oder Sand, wobei ganz bevorzugt für den Ballast 15 auch oder ausschliesslich Material aus dem Grund 6 beispielsweise am Ort des Energie speichers 1 verwendet wird (es ist heute mit geringen Kosten möglich, auch in beträchtlicher Tiefe den Meeresgrund auszubaggern und das Material gezielt abzulagern). The container 2 is covered with ballast 15 in such a way that it rests on the base 2 in an operationally reliable manner even when the energy store 1 is fully loaded. The ballast 15 preferably completely covers the container 2, as shown in the figure. More preferably, the ballast 15 consists of bulk material such as gravel or sand, with material for the ballast 15 also or exclusively being used for the reason 6, for example at the location of the energy store 1 (it is possible today with low costs, even in considerable amounts) Deep dredging the seabed and deliberately depositing the material).
Bevorzugt ist der Behälter 2 mit einer flachen Kontur versehen, derart, dass dessen horizon tale Abmessung b ein mehrfaches seiner Höhe h beträgt, bevorzugt das zweifache oder mehr, besonders bevorzugt das dreifache oder mehr, ganz besonders bevorzugt das fünffa che oder zehnfache oder mehr. Solch eine Kontur erlaubt, beispielsweise die in der Figur an gedeutete Linsenform vorzusehen, welche im Hinblick auf die Verwendung von Schüttgut als Ballast 15 besonders vorteilhaft ist. Weiter bevorzugt wird deshalb die Neigung eines oberen Wandabschnitts 17 des Behälters 2 unter 30 Grad gehalten. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass der Ballast 15 an jedem Ort des Behälters 2 dessen Auftrieb wenigstens kompensieren muss, so dass bei der in der Figur gezeigten Linsenform an den Rändern des Behälters 2 we niger Ballast 15 notwendig ist als in seinem zentralen Bereich, was durch die unterschiedliche Dicke des dargestellten Ballasts 15 gezeigt ist. The container 2 is preferably provided with a flat contour, such that its horizontal dimension b is a multiple of its height h, preferably twice or more, particularly preferably triple or more, very particularly preferably five times or ten times or more. Such a contour allows, for example, the lens shape indicated in the figure, which is particularly advantageous with regard to the use of bulk material as ballast 15. Therefore, the inclination of an upper wall section 17 of the container 2 is more preferably kept below 30 degrees. It should be noted at this point that the ballast 15 must at least compensate for its buoyancy at every location of the container 2, so that less ballast 15 is required at the edges of the container 2 than in its central region in the lens shape shown in the figure, which is shown by the different thickness of the ballast 15 shown.
Bei der in der Figur 1 gezeigten Ausführungsform ist der Behälter 2 mit Stegen 9 versehen, welche dazu dienen, dem Behälter 2 eine gewünschte Form zu verleihen, bzw. dessen Kontur zu definieren. Die Stege 9 sind bevorzugt zugbelastbar und können aus demselben flexiblen Material bestehen, wie die flexiblen Wände des Behälters 2. Die Stege 9 werden im konkre- ten Fall in Verbindung mit dem vorgesehenen Ballast 15 derart angeordnet, dass der Behälter 2 im Betrieb die vorgesehene Kontur behält und mit dem vorgesehen Betriebsvolumen be trieben werden kann. In the embodiment shown in FIG. 1, the container 2 is provided with webs 9 which serve to give the container 2 a desired shape or to define its contour. The webs 9 are preferably tensile and can be made of the same flexible material as the flexible walls of the container 2. The webs 9 are ten case in connection with the provided ballast 15 arranged such that the container 2 retains the intended contour during operation and can be operated with the intended operating volume.
In Figur 1 ist weiter durch die gestrichelten Linien ein gedachter Bereich 16 des Behälters 2 ersichtlich, der sich über dessen gesamte Flöhe h erstreckt. Die Flöhe der Wassersäule des Gewässers vom Grund 6 bis zur Wasseroberfläche ist Fl. Mit FHilfe dieses gedachten Bereichs 16 werden in der Beschreibung zu den Figuren 2a und 2b unten die Druckverhältnisse im er- findungsgemässen Unterwasser-Energiespeicher erläutert. In FIG. 1, the dotted lines further show an imaginary area 16 of the container 2, which extends over its entire flea h. The flea of the water column of the water from the bottom 6 to the water surface is Fl. With the help of this imaginary area 16, the pressure conditions in the underwater energy store according to the invention are explained below in the description of FIGS. 2a and 2b.
In einer nicht in den Figuren dargestellten Ausführungsform ist der Behälter 2 des Unterwas ser-Energiespeichers nur teilweise mit flexiblen Aussenwänden 3 versehen. Starre Aussen- wände 3 können im konkreten Fall beispielsweise am Ort der Druckluftleitung 7 bzw. der Ausgleichsleitung 8 vorgesehen werden, oder auch im Boden oder Deckenbereich des Behäl ters 2. In an embodiment not shown in the figures, the container 2 of the underwater energy store is only partially provided with flexible outer walls 3. Rigid outer walls 3 can be provided in the specific case, for example at the location of the compressed air line 7 or the compensating line 8, or also in the floor or ceiling area of the container 2.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der Behälter nur für eine Druckbe lastung im Betrag des Drucks einer Wassersäule von der Flöhe h des Behälters ausgebildet sein muss - die Tiefe des Meeres- oder Seegrunds 6 bzw. die Flöhe Fl bis zur Wasseroberflä che 4 spielt dabei keine Rolle, s. dazu wie erwähnt die Beschreibung unten zu den Figuren 2a und 2b. An advantage of the present invention is that the container only has to be designed for a pressure load in the amount of the pressure of a water column from the fleas h of the container - the depth of the sea or lake bottom 6 or the fleas Fl up to the water surface 4 does not matter, s. in addition, as mentioned, the description below for FIGS. 2a and 2b.
Damit ist es grundsätzlich auch erfindungsgemäss, den ganzen Behälter mit nicht flexiblen Wänden zu versehen, beispielsweise aus Beton, da nur vergleichsweise geringe Wandstärken benötigt werden (Druckbelastung), auch in grosser Tiefe, was deren Fierstellung gegenüber Behältern des Stands der Technik erheblich vereinfacht und verbilligt. It is therefore also fundamentally in accordance with the invention to provide the entire container with non-flexible walls, for example made of concrete, since only comparatively small wall thicknesses are required (pressure load), even in great depth, which considerably simplifies and reduces the cost of it being set compared to containers of the prior art .
Es ergibt sich ein Verfahren zum Speichern von Energie in Form eines komprimierten Fluids, das für die Speicherung von Energie in einen unter einer Wasseroberfläche angeordneten Behälter (2) gepumpt wird, wobei der Behälter (2) auf einem Meeresgrund (6) oder einem Seegrund (6) angeordnet und dort von Ballast (15) derart beschwert wird, dass er auch unter voller Befüllung durch das komprimierbare Fluid gegen den Meeres- oder Seegrund in Be triebsposition (6) gedrückt wird, und wobei entsprechend dem Volumen des in den Behälter (2) gelangenden komprimierten Fluids eine in diesem vorbestehende Füllung aus Wasser aus ihm hinaus in das umgebende Wasser abgegeben, und entsprechend dem Volumen des aus dem Behälter (2) entnommenen, komprimierten Fluids umgebendes Wasser wieder in den Behälter (2) hineinfliesst, dabei aus dem Behälter (2) abgegebenes Wasser für den Antrieb einer Turbine verwendet und in den Behälter (2) hineinfliessendes Wasser in diesen hinein gepumpt wird. The result is a method for storing energy in the form of a compressed fluid which is pumped into a container (2) arranged under a water surface for storing energy, the container (2) being located on a sea bed (6) or a lake bed ( 6) arranged and weighed down by ballast (15) in such a way that it is pressed against the sea or lake bed in the operating position (6) even when fully filled by the compressible fluid, and according to the volume of the container (2 ) Compressed fluids from a pre-existing filling of water emitted it into the surrounding water, and, according to the volume of the compressed fluid removed from the container (2), surrounding water flows back into the container (2), water used in the container (2) being used to drive a turbine and Water flowing into the container (2) is pumped into it.
Ein entsprechender pneumatischer Unterwasser-Energiespeicher besitzt einem Behälter (2) für komprimierbares Fluid, wobei der Behälter (2) auf einem Meeresgrund oder Seegrund (6) ruht und durch Ballast (15) bedeckt ist, derart, dass er bei vollständiger Beladung durch das komprimierbare Fluid gegen den Meeresgrund oder Seegrund (6) gedrückt verharrt, wobei weiter eine Druckleitung (7) für komprimierbares Fluid in einem oberen Bereich des Behäl ters (2) mündet, und eine in einem unteren Bereich des Behälters (2) vorgesehene Aus gleichsleitung (8) das Innere des Behälters (2) mit dem umgebenden Wasser verbindet, und wobei weiter eine mit der Ausgleichsleitung (8) verbundene Pumpen-Turbinenanordnung (12) vorgesehen ist, die ausgebildet ist, im Betrieb des Unterwasser-Energiespeichers (1) über die Ausgleichsleitung (8) entsprechend dem Volumen des einströmenden komprimierbaren Fluids Wasser aus dem Behälter (2) durch eine Turbine in das umgebende Wasser abzugeben und entsprechend dem Volumen von aus dem Behälter (2) abgegebenem komprimierbarem Fluid umgebendes Wasser durch eine Pumpe in diesen hinein zu fördern. A corresponding pneumatic underwater energy store has a container (2) for compressible fluid, the container (2) resting on a sea bed or lake bed (6) and covered by ballast (15) such that it is fully loaded by the compressible Fluid remains pressed against the sea floor or lake bed (6), a pressure line (7) for compressible fluid opening into an upper region of the container (2), and an equalization line (8) provided in a lower region of the container (2) ) connects the inside of the container (2) with the surrounding water, and a pump-turbine arrangement (12) connected to the compensation line (8) is also provided, which is designed to operate the underwater energy store (1) via the compensation line (8) according to the volume of the inflowing compressible fluid to release water from the container (2) by a turbine into the surrounding water and according to the volume n Pump water surrounding compressible fluid released from the container (2) into the container by means of a pump.
Figur 2a zeigt den gedachten Bereich 16 im Behälter 2 (s. auch Figur 1), wenn dieser vollstän dig mit komprimiertem Fluid, bevorzugt Luft, beladen ist. Diese Luft erzeugt einen durch den Vektor A symbolisierten Auftrieb entsprechend dem von ihr verdrängten Wasser, hier ent sprechend dem Volumen des gedachten Bereichs 16. Soll der Behälter 2 durch den Ballast 15 an den Boden gedrückt verharren, muss das durch den Vektor B symbolisierte Gewicht des Ballasts 15 wenigstens dem Auftrieb A entsprechen, so dass sein Gewicht wenigstens dem Gewicht des durch die Luft verdrängten Wassers entspricht. Der Vektor W symbolisiert das Gewicht des Wassers über dem gedachten Bereich 16. F bezeichnet die Querschnittsfläche des gedachten Bereichs 16. FIG. 2a shows the imaginary area 16 in the container 2 (see also FIG. 1) when it is completely loaded with compressed fluid, preferably air. This air generates a buoyancy symbolized by the vector A corresponding to the water displaced by it, here accordingly the volume of the imaginary region 16. If the container 2 remains pressed against the ground by the ballast 15, the weight of the symbolized by the vector B must Ballasts 15 correspond at least to the buoyancy A, so that its weight corresponds at least to the weight of the water displaced by the air. The vector W symbolizes the weight of the water over the imaginary area 16. F denotes the cross-sectional area of the imaginary area 16.
Ist g das spezifische Gewicht des Wassers, ergibt sich: Das Gewicht des Wassers ist W = (H- h)Fy, das Ballastgewicht ist B = Fhy und ist gleich der Auftriebskraft A = FHy (da der Ballast dem Auftrieb entsprechen muss). Da der Innendruck des gedachten Bereichs 16 auf Grund der Luftfüllung überall gleich ist, ist er in seinem obersten Bereich (pl) gleich gross wie un- ten, am Ort der Mündung 11 (p2), so dass pl = p2 = Hg ist (von oben wirkt das Wasserge wicht W plus das Ballastgewicht W, also W + B = (H-h)Fy + Fhy = FHy). If g is the specific weight of the water, the following results: The weight of the water is W = (H- h) Fy, the ballast weight is B = Fhy and is equal to the buoyancy force A = FHy (since the ballast must correspond to the buoyancy). Since the internal pressure of the imaginary area 16 is the same everywhere due to the air filling, it is the same in its uppermost area (pl) as ten, at the location of the mouth 11 (p2), so that pl = p2 = Hg (the water weight W plus the ballast weight W acts from above, i.e. W + B = (Hh) Fy + Fhy = FHy).
Ist der Energiespeicher 1 mit komprimierbarem Fluid gefüllt, herrscht in ihm also ein Über druck gegenüber dem umgebenden Wasser, der mit der Flöhe h ansteigt und dem Druck in einer Wassersäule mit dieser Flöhe entspricht. Dieser Überdruck ist unabhängig von der Tiefe des Grunds 6 bzw. der Flöhe Fl des Gewässers. If the energy storage device 1 is filled with compressible fluid, there is therefore an overpressure in relation to the surrounding water, which increases with the fleas h and corresponds to the pressure in a water column with this fleas. This overpressure is independent of the depth of the bottom 6 or the fleas Fl of the water.
Figur 2b zeigt den gedachten Bereich 16 im Behälter 2, wenn dieser kein komprimiertes Fluid aufweist und deshalb vollständig mit Wasser gefüllt ist. Der Druck pl ist unverändert gleicht gross, d.h. pl = FHy (das Gewicht W des Wassers über dem gedachten Bereich 16 und das Ge wicht B des Ballasts 15 sind unverändert - also ist auch der Innendruck pl oben im gedachten Bereich 16 unverändert). Im Unterschied zur Luftfüllung des gedachten Bereichs 16 gemäss Figur 2a ist dieser nun mit Wasser gefüllt, welches ein Gewicht Fhy besitzt. Im gedachten Be hälter ist damit eine Wassersäule vorhanden, deren Druck gegen unten zunimmt (pro 10 m mit ca. 1 bar, je nach der Zusammensetzung des Wassers). Der Druck p2 ist dann entspre chend höher, nämlich p2 = pl + hy = FHy + hy. Im mit Wasser gefüllten Zustand besteht im gedachten Bereich 16 am Ort der Mündung 11 ein Überdruck gegenüber dem umgebenden Wasser im Betrag von Dr = hy, der proportional ist zur Flöhe der Wassersäule im gedachten Bereich 16. Figure 2b shows the imaginary area 16 in the container 2 when it has no compressed fluid and is therefore completely filled with water. The pressure pl is unchanged, i.e. pl = FHy (the weight W of the water above the imaginary area 16 and the weight B of the ballast 15 are unchanged - so the internal pressure pl above in the imaginary area 16 is also unchanged). In contrast to the air filling of the imaginary area 16 according to FIG. 2a, this is now filled with water, which has a weight Fhy. There is therefore a water column in the imaginary container, the pressure of which increases towards the bottom (per 10 m with approx. 1 bar, depending on the composition of the water). The pressure p2 is then correspondingly higher, namely p2 = pl + hy = FHy + hy. In the state filled with water, there is an overpressure in the imaginary area 16 at the location of the mouth 11 compared to the surrounding water in the amount of Dr = hy, which is proportional to the fleas of the water column in the imaginary area 16.
Ist der Energiespeicher 1 mit Wasser gefüllt, herrscht in ihm also ein Überdruck gegenüber dem umgebenden Wasser, der dem Druck in einer Wassersäule mit seiner Flöhe h entspricht. Dieser Überdruck ist unabhängig von der Tiefe des Grunds 6 bzw. der Flöhe Fl des Gewässers. If the energy store 1 is filled with water, there is therefore an overpressure in relation to the surrounding water, which corresponds to the pressure in a water column with its fleas h. This overpressure is independent of the depth of the bottom 6 or the fleas Fl of the water.
Wird der Behälter 2 des Energiespeichers 1 linsenförmig ausgebildet, s. Figur 1, ist die Flöhe h gegenüber seiner Breite b klein, d.h. dessen (Über)Druckbeanspruchung gering. Der Ballast 15 kann bei geeigneter Bemessung diese Druckbeanspruchung auffangen, was erlaubt, den Behälter 2 aus einem flexiblen Material herzustellen, das keine speziellen Eigenschaften zei gen muss, also günstig gefertigt werden kann. Die Stege 9 (Figur 1) halten die Kontur des Be hälters 2 in der gewünschten Form. If the container 2 of the energy store 1 is lenticular, see. Figure 1, the fleas h is small compared to its width b, i.e. its (over) pressure load low. The ballast 15 can absorb this pressure load with a suitable design, which allows the container 2 to be made from a flexible material that does not have to show any special properties, that is to say can be manufactured cheaply. The webs 9 (Figure 1) keep the contour of the loading container 2 in the desired shape.
Wird aus dem Behälter 2 zur Rückgewinnung von Energie komprimierte Luft entnommen, fliesst durch die Mündung 11 umgebendes Wasser in den Behälter 2, wobei in ihm der Was- serpegel ansteigt, bis der Zustand von Figur 2b erreicht ist. Mit steigendem Wasserpegel steigt der Überdruck im Behälter 2, verursacht durch das Gewicht des sich erhöhenden Was sersäule, so dass das umgebende Wasser mit der Pumpe der Pumpen-Turbinenanordnung 14 in den Behälter 2 hinein gepumpt werden muss. Bei der Energieentnahme E = VHy (bis die gesamte gespeicherte Luft aus dem Behälter 2 entnommen worden ist) muss somit gleichzei tig die Pumpenergie Pp = V(h/2)y aufgebracht werden. If compressed air is removed from the container 2 for the recovery of energy, water flowing through the mouth 11 flows into the container 2, the water therein water level rises until the state of FIG. 2b is reached. With increasing water level, the overpressure in the container 2 increases, caused by the weight of the increasing water column, so that the surrounding water must be pumped into the container 2 with the pump of the pump-turbine arrangement 14. When extracting energy E = VHy (until all the stored air has been removed from container 2), the pump energy Pp = V (h / 2) y must be applied at the same time.
Wird nun während der Speicherung von komprimierter Luft mit dem Druck pl Wasser aus dem Behälter 2 abgegeben, besitzt dieses bei noch vollständig mit Wasser gefülltem Behälter 2 den Überdruck hy, der bis zur vollständigen Leerung von Wasser auf 0 absinkt. Das unter Überdruck stehende Wasser wird erfindungsgemäss durch die Turbine der Pumpen- Turbinenanordnung 14 geleitet, so dass die Turbinenenergie PT = V(h/2)y erhalten wird. If water is now released from the container 2 during the storage of compressed air at the pressure pl, this has the excess pressure hy when the container 2 is still completely filled with water, which drops to 0 until the water is completely emptied. According to the invention, the water under pressure is passed through the turbine of the pump-turbine arrangement 14, so that the turbine energy P T = V (h / 2) y is obtained.
Das bedeutet, dass der Wechsel der Füllung (Wasser - komprimierbares Fluid, hier Luft) des Behälters 2 energieneutral erfolgt, wobei dies in der Realität wegen der Verluste in der der der Pumpen-Turbinenanordnung 14 nicht der Fall ist. Diese Verluste sind im Verhältnis zur speicherbaren Energie gering und stellen einen vernachlässigbaren Kostenfaktor dar. This means that the filling (water - compressible fluid, here air) of the container 2 is changed in an energy-neutral manner, which is not the case in reality because of the losses in the pump-turbine arrangement 14. These losses are small in relation to the storable energy and represent a negligible cost factor.
Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass das unter Anderem das Gewicht des Ballasts 15 durch den Fachmann im konkreten Fall z.B. im Hinblick auf Toleranzen oder Sicherheitsüberlegun gen etc. anders als in der Berechnung zu Figur 2a angesetzt werden kann. Der Fachmann kann im konkreten Fall die Rechnung gemäss Figur 2a oder 2b leicht entsprechend modifizie ren. It should be noted at this point that, among other things, the weight of the ballast 15 by the person skilled in the art, e.g. with regard to tolerances or safety considerations etc. differently than can be applied in the calculation for FIG. 2a. In the specific case, the person skilled in the art can easily modify the calculation according to FIG. 2a or 2b accordingly.
Wie oben beschreiben wechselt der Behälter 2 bevorzugt zwischen einem mit komprimierba rem Fluid beladenem Zustand gemäss Figur 2a und einem mit Wasser gefüllten Zustand ge mäss Figur 2b hin- und her, indem der Behälter 2 beispielsweise zyklisch über den Kompres sor der Kompressor-Turbinenanordnung 10 mit komprimierter Luft befüllt und über deren Turbine wieder entleert wird. Natürlich ist es auch möglich, den Energiespeicher 1 mit einem unregelmässigen Zyklus zu fahren, d.h. den Behälter 2 nur teilweise mit komprimierbarem Fluid zu füllen. Der Austausch von komprimiertem Fluid (Luft) und Wasser in den Behälter 2 und aus diesem hinaus erfolgt aber immer volumenneutral, d.h. das Volumen des aus dem Behälter hinein und hinaus fliessenden Wassers entspricht dem Volumen des in den Behälter 2 gepumpten oder diesem entnommenen komprimierten Fluids. Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch den Behälter 2 des Energiespeichers 1 oder 20 im Be triebszustand, wobei der Anschaulichkeit wegen eine reale Verformung des Behälters 2 ge genüber der idealen Kontur etwas überhöht dargestellt ist. Zur Entlastung der Figur sind die Druckleitung 7, die Ausgleichsleitung 8 und die Kompressor-Turbinenanordnung 10 (Fig. 1) weggelassen. Flexible Wandabschnitte 23 des Behälters 2 passen sich ohne Weiteres der Kontur des Meeres- oder Seegrunds an, ebenso obere, flexibler Wandabschnitte 24 im Hin blick auf den Ballast 15 und den durch den Ballast 15 ausgeübten Druck (wobei Verformun gen auch während der Beladung des Behälters 2 mit Ballast 15 oder im Betrieb während der Beladung oder der Entladung des Energiespeichers 1,20 erfolgen können). Eine teure, starre und druckresistente Bauweise erübrigt sich, wobei zudem ein durch eine flexible Membran gebildeter Behälter 2 nicht nur günstig herzustellen, sondern auch günstig auf dem Meeres grund zu positionieren und mit Ballast zu beladen ist. As described above, the container 2 preferably switches back and forth between a state loaded with compressible fluid according to FIG. 2a and a state filled with water according to FIG. 2b, in that the container 2 cyclically, for example, via the compressor of the compressor turbine arrangement 10 filled with compressed air and emptied via its turbine. Of course, it is also possible to run the energy store 1 with an irregular cycle, ie to fill the container 2 only partially with compressible fluid. However, the exchange of compressed fluid (air) and water into and out of the container 2 is always volume-neutral, ie the volume of the water flowing in and out of the container corresponds to the volume of the compressed fluid pumped into or removed from the container 2. FIG. 3 shows a cross section through the container 2 of the energy store 1 or 20 in the operating state, the illustration being somewhat exaggerated due to a real deformation of the container 2 compared to the ideal contour. To relieve the figure, the pressure line 7, the compensation line 8 and the compressor turbine arrangement 10 (FIG. 1) are omitted. Flexible wall sections 23 of the container 2 easily adapt to the contour of the sea or lake bed, as well as upper, flexible wall sections 24 with a view of the ballast 15 and the pressure exerted by the ballast 15 (deformations also during loading of the container 2 with ballast 15 or in operation during loading or unloading of the energy store 1.20). An expensive, rigid and pressure-resistant design is unnecessary, and in addition a container 2 formed by a flexible membrane is not only inexpensive to manufacture, but also inexpensive to position on the sea floor and to be loaded with ballast.
Figur 4 zeigt eine alternative Anordnung einer Mehrzahl von Behältern 24 eines pneumati schen Energiespeichers 30. Diese Behälter können kugelförmig oder rohrförmig ausgebildet und in eine vorbereitete Aufschüttung 25 am Meeresgrund oder Seegrund eingebettet sein. Generell kann solch eine Aufschüttung im konkreten Fall vorgesehen werden z.B. bei teilwei se felsigem oder stark unebenem Grund, z.B. dann, wenn davon ausgegangen werden muss, dass die flexible Membran des Behälters im Betrieb lokal überbeansprucht werden könnte. Wiederum ist es aber so, dass eine eventuelle lokale Aufschüttung im Vergleich zu anderen Konstruktionen mit starren Behältern wenig kostenintensiv ist. Bei den meisten sandigen Formationen des Meere-s oder Seegrunds kann im konkreten Fall auf eine Aufschüttung ver zichtet werden. FIG. 4 shows an alternative arrangement of a plurality of containers 24 of a pneumatic energy store 30. These containers can be spherical or tubular and can be embedded in a prepared fill 25 on the sea bed or lake bed. In general, such a filling can be provided in the specific case, e.g. on partially rocky or very uneven ground, e.g. when it must be assumed that the flexible membrane of the container could be overstressed locally during operation. Again, it is the case that a possible local filling is less expensive than other constructions with rigid containers. Most of the sandy formations of the sea or lake bed can be avoided in a specific case.
Die Figuren 5 und 6 zeigen eine Abschätzung für die Kosten der gespeicherten Energie im Di agramm 35 und für die speicherbare Energiemenge in Abhängigkeit von der Wassertiefe im Diagramm 36. Der Überschlagsrechnung ist ein Energispeicher gemäss der vorliegenden Er findung zu Grunde gelegt, der einen vollständig durch eine flexible Membran gebildeten Be hälter für komprimierte Luft aufweist, wobei der Behälter auf dem Meeresgrund in 40m Tiefe liegt und durch Meeressand bedeckt ist, der durch einen Saugbagger angesaugt und auf den Behälter verlegt worden ist. Die Neigung der flexiblen Membran beträgt am Rand des Behäl- ters 30 Grad, wobei dieser linsenförmig ausgebildet ist und einen Durchmesser von 50m so wie eine maximale Höhe (in der Mitte) von 6,7m aufweist. Damit ergibt sich eine totale Membranfläche von 4068 m2 und ein maximales Speichervolumen von 6734 m3. Durchschnittliche Polyester/PVC Membrankosten betragen zum Zeitpunkt der vorliegenden Anmeldung 12 USD/m2, was zu Kosten für den Behälter von 48820 USD führt. Als Ballastma terial wurde, wie erwähnt, Meeressand angenommen, dessen Verlegung kann mit 2 USD/m3, angesetzt werden - insgesamt 7678 USD. Erfahrungswerte für die Turbinen- Kompressoranordnung führen zu Kosten von 20 USD/kWh gespeicherter Energie. Es ergeben sich 76 USD/kWh, wobei die gespeicherte Energie bei vollständiger Beladung des Energie speichers bei 0.75 MWh liegt. FIGS. 5 and 6 show an estimate for the cost of the stored energy in the diagram 35 and for the amount of energy that can be stored as a function of the water depth in the diagram 36. The rough calculation is based on an energy store according to the present invention, which is carried out completely has a flexible membrane formed container for compressed air, the container lying on the seabed at a depth of 40m and covered by sea sand which has been sucked in by a suction dredger and laid on the container. The inclination of the flexible membrane at the edge of the container ters 30 degrees, which is lenticular and has a diameter of 50m and a maximum height (in the middle) of 6.7m. This results in a total membrane area of 4068 m 2 and a maximum storage volume of 6734 m 3 . Average polyester / PVC membrane costs at the time of this application are $ 12 / m 2 , resulting in a cost of the container of $ 48,820. As mentioned, sea sand was accepted as ballast material, the laying of which can be set at USD 2 / m 3 - a total of USD 7,678. Empirical values for the turbine-compressor arrangement lead to a cost of 20 USD / kWh of stored energy. This results in USD 76 / kWh, with the stored energy being 0.75 MWh when the energy store is fully loaded.
Das Diagramm 35 (Fig.5) zeigt graphisch die Energiekosten [USD/kWh] in Abhängigkeit der Wassertiefe H [m] für drei Luftreservoirdurchmesser, D = 25, 50 und 100 m. Das Diagramm 36 (Fig.7) zeigt graphisch die gespeicherte Energiemenge [MWh] in Abhängigkeit der Wasser tiefe H [m] für drei Luftreservoirdurchmesser, D = 25, 50 und 100 m. Diagram 35 (FIG. 5) graphically shows the energy costs [USD / kWh] as a function of the water depth H [m] for three air reserve diameters, D = 25, 50 and 100 m. Diagram 36 (FIG. 7) graphically shows the amount of energy stored [MWh] as a function of water depth H [m] for three air reservoir diameters, D = 25, 50 and 100 m.
Es ergibt sich, dass die Wirtschaftlichkeit bzw. ein konkurrenzfähiger industrieller Einsatz be reits bei Wassertiefen von 50m angenommen werden kann - im Gegensatz etwa zum Projekt StEnSEA (s. die Beschreibung oben), dessen Betonspeicherbehälter nach Angaben der Pro jektbeschreibung erst ab ca. 700m Tiefe wirtschaftlich einsetzbar sind. It turns out that the economic viability or a competitive industrial application can already be assumed at water depths of 50m - in contrast to the StEnSEA project (see the description above), whose concrete storage tank according to the project description only from a depth of approx. 700m are economical to use.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Verfahren zum Speichern von Energie in Form eines komprimierten Fluids, das für die Speicherung von Energie in einen unter einer Wasseroberfläche angeordneten Behälter (2) gepumpt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der dass der Behälter (2) auf einem Meeresgrund (6) oder einem Seegrund (6) angeordnet und dort von Ballast (15) derart beschwert wird, dass er auch unter voller Befüllung durch das komprimierbare Fluid ge gen den Meeres- oder Seegrund in Betriebsposition (6) gedrückt wird, wobei entspre chend dem Volumen des in den Behälter (2) gelangenden komprimierten Fluids eine in diesem vorbestehende Füllung aus Wasser aus ihm hinaus in das umgebende Wasser abgegeben, und entsprechend dem Volumen des aus dem Behälter (2) entnommenen, komprimierten Fluids umgebendes Wasser wieder in den Behälter (2) hineinfliesst, da bei aus dem Behälter (2) abgegebenes Wasser für den Antrieb einer Turbine verwendet und in den Behälter (2) hineinfliessendes Wasser in diesen hinein gepumpt wird. 1. A method for storing energy in the form of a compressed fluid which is pumped for storing energy in a container (2) arranged under a water surface, characterized in that the container (2) on a seabed (6) or a lake bed (6) is arranged and there is weighted by ballast (15) in such a way that it is pressed against the sea or lake bed in operating position (6) even when fully filled by the compressible fluid, the volume corresponding to the Compressed fluid container (2) discharges a pre-existing filling of water from it into the surrounding water, and according to the volume of the compressed fluid removed from the container (2), surrounding water flows back into the container (2) since when water discharged from the container (2) is used to drive a turbine and water flowing into the container (2) is pumped into the latter.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Aussenwände des Behälters (2) teilweise durch ein flexibles Material gebildet werden. 2. The method according to claim 1, wherein the outer walls of the container (2) are partially formed by a flexible material.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei alle Aussenwände des Behälters (2) durch ein flexib les Material gebildet werden. 3. The method according to claim 1, wherein all outer walls of the container (2) are formed by a flexible material.
4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Behälter (2) mit einer flachen Kontur versehen wird, derart, dass dessen horizontale Abmessung ein mehrfaches seiner Flöhe beträgt, bevorzugt das zweifache oder mehr, besonders bevorzugt das dreifache oder mehr, ganz besonders bevorzugt das fünffache oder mehr. 4. The method according to claim 1, wherein the container (2) is provided with a flat contour such that its horizontal dimension is a multiple of its fleas, preferably twice or more, particularly preferably triple or more, very particularly preferably five times or more.
5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Behälter (2) durch den Ballast (15) vollständig zu gedeckt wird. 5. The method according to claim 1, wherein the container (2) is completely covered by the ballast (15).
6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Ballast aus Schüttgut besteht, das bevorzugt dem Meeres- oder Seegrund am Ort des Unterwasser-Energiespeichers entnommen worden ist. 6. The method according to claim 1, wherein the ballast consists of bulk material which has preferably been removed from the sea or lake bed at the location of the underwater energy store.
7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Innere des Behälters (2) in einem oberen Bereich mit einer zur Wasseroberfläche führenden Druckeitung (7) für komprimiertes Fluid ver sehen und bevorzugt weiter eine Turbine (10) vorgesehen wird, die durch aus dem Be hälter (2) ausströmendes komprimiertes Fluid angetrieben wird. 7. The method according to claim 1, wherein the interior of the container (2) ver see in an upper region with a pressure line leading to the water surface (7) for compressed fluid, and preferably a turbine (10) is provided, which is provided by the container (2) outflowing compressed fluid is driven.
8. Pneumatischer Unterwasser-Energiespeicher mit einem Behälter (2) für komprimierba res Fluid, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (2) auf einem Meeresgrund oder Seegrund (6) ruht und durch Ballast (15) bedeckt ist, derart, dass er bei vollständiger Be ladung durch das komprimierbare Fluid gegen den Meeresgrund oder Seegrund (6) ge drückt verharrt, dass weiter eine Druckleitung (7) für komprimierbares Fluid in einem oberen Bereich des Behälters (2) mündet, und eine in einem unteren Bereich des Behäl ters (2) vorgesehene Ausgleichsleitung (8) das Innere des Behälters (2) mit dem umge benden Wasser verbindet, wobei weiter eine mit der Ausgleichsleitung (8) verbundene Pumpen-Turbinenanordnung (12) vorgesehen ist, die ausgebildet ist, im Betrieb des Un terwasser-Energiespeichers (1) über die Ausgleichsleitung (8) entsprechend dem Volu men des einströmenden komprimierbaren Fluids Wasser aus dem Behälter (2) durch ei ne Turbine in das umgebende Wasser abzugeben und entsprechend dem Volumen von aus dem Behälter (2) abgegebenem komprimierbarem Fluid umgebendes Wasser durch eine Pumpe in diesen hinein zu fördern. 8. Pneumatic underwater energy storage device with a container (2) for compressible fluid, characterized in that the container (2) rests on a sea bed or lake bed (6) and is covered by ballast (15), such that it is completely Loading by the compressible fluid against the sea bed (6) ge persists that a pressure line (7) for compressible fluid opens into an upper region of the container (2) and one into a lower region of the container (2 ) provided compensation line (8) connects the interior of the container (2) with the surrounding water, a pump turbine arrangement (12) connected to the compensation line (8) being provided, which is designed to operate the submerged energy storage device (1) via the equalization line (8) according to the volume of the inflowing compressible fluid to deliver water from the container (2) by a turbine into the surrounding water and according to the Vo To convey lumens of compressible fluid released from the container (2) into the water by means of a pump.
9 Pneumatischer Unterwasser-Energiespeicher nach Anspruch 8, wobei der Behälter (2) wenigstens teilweise flexible Aussenwände (3) aufweist. 9 pneumatic underwater energy storage device according to claim 8, wherein the container (2) has at least partially flexible outer walls (3).
10. Pneumatischer Unterwasser-Energiespeicher nach Anspruch 8, wobei der Behälter (2) vollständig aus flexiblen Wänden (3) gebildet ist. 10. Pneumatic underwater energy storage device according to claim 8, wherein the container (2) is formed entirely from flexible walls (3).
11. Pneumatischer Energiespeicher nach Anspruch 8, wobei der Ballast den (15) Behälter (2) vollständig überdeckt. 11. Pneumatic energy storage device according to claim 8, wherein the ballast completely covers the (15) container (2).
12. Pneumatischer Energiespeicher nach Anspruch 8, wobei der Ballast (15) aus Schüttgut besteht, bevorzugt aus dem Material des umgebenden Meeres- oder Seegrunds (6). 12. Pneumatic energy store according to claim 8, wherein the ballast (15) consists of bulk material, preferably of the material of the surrounding sea or lake bed (6).
13. Pneumatischer Energiespeicher nach Anspruch 8, wobei der Behälter (2) in seinem Inne ren zugbelastbare Stege (22) aufweist. 13. Pneumatic energy store according to claim 8, wherein the container (2) in its interior Ren tensile webs (22).
14. Pneumatischer Energiespeicher nach Anspruch 8, wobei ein oberer Bereich des Behäl ters (2) mit einer zur Oberfläche des Meeres oder Sees führenden Druckleitung (7) für das komprimierbare Fluid versehen ist, und wobei diese Leitung (7) bevorzugt mit einer durch aus dem Behälter (2) ausströmendes komprimierbares Fluid antreibbaren Turbine (10) versehen ist. 14. Pneumatic energy storage device according to claim 8, wherein an upper region of the container (2) is provided with a pressure line (7) leading to the surface of the sea or lake for the compressible fluid, and wherein this line (7) is preferably provided with a through turbine (10) which is capable of driving compressible fluid and flows out of the container (2).
15. Pneumatischer Energiespeicher nach Anspruch 8, der Behälter (2) einer flache Kontur aufweist, deren horizontale Abmessung ein mehrfaches ihrer Flöhe beträgt, bevorzugt das zweifache oder mehr, besonders bevorzugt das dreifache oder mehr, ganz beson- ders bevorzugt das fünffache oder mehr. 15. Pneumatic energy store according to claim 8, the container (2) has a flat contour, the horizontal dimension of which is a multiple of its fleas, preferably twice or more, particularly preferably triple or more, very particularly preferably five times or more.
16. Pneumatischer Energiespeicher nach Anspruch 8, wobei dieser mehrere Behälter (2) aufweist, die von einer gemeinsamen Ballastschicht (15) überdeckt sind. 16. Pneumatic energy store according to claim 8, wherein it has a plurality of containers (2) which are covered by a common ballast layer (15).
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