EP4285455A2 - Elektrisches energiespeichersystem und verfahren zur ein- und ausspeicherung elektrischer energie sowie computerprogramm - Google Patents

Elektrisches energiespeichersystem und verfahren zur ein- und ausspeicherung elektrischer energie sowie computerprogramm

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Publication number
EP4285455A2
EP4285455A2 EP22708369.8A EP22708369A EP4285455A2 EP 4285455 A2 EP4285455 A2 EP 4285455A2 EP 22708369 A EP22708369 A EP 22708369A EP 4285455 A2 EP4285455 A2 EP 4285455A2
Authority
EP
European Patent Office
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energy
storage system
hydraulic
compressed gas
converter
Prior art date
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Pending
Application number
EP22708369.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander BÖRGEL
Niko DALKE
Eugen ZUKIN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hypnetic GmbH
Original Assignee
Hypnetic GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of EP4285455A2 publication Critical patent/EP4285455A2/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B15/00—Systems controlled by a computer
    • G05B15/02—Systems controlled by a computer electric
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for AC mains or AC distribution networks
    • H02J3/28—Arrangements for balancing of the load in networks by storage of energy
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H61/00—Control functions within control units of change-speed- or reversing-gearings for conveying rotary motion ; Control of exclusively fluid gearing, friction gearing, gearings with endless flexible members or other particular types of gearing
    • F16H61/38—Control of exclusively fluid gearing
    • F16H61/40—Control of exclusively fluid gearing hydrostatic
    • F16H61/4078—Fluid exchange between hydrostatic circuits and external sources or consumers
    • F16H61/4096—Fluid exchange between hydrostatic circuits and external sources or consumers with pressure accumulators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J15/00—Systems for storing electric energy specially adapted for power networks
    • H02J15/10—Systems for storing electric energy specially adapted for power networks using storage of hydraulic energy
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J15/00—Systems for storing electric energy specially adapted for power networks
    • H02J15/20—Systems for storing electric energy specially adapted for power networks using storage of pneumatic energy, e.g. compressed air energy storage [CAES]
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B11/00—Servomotor systems without provision for follow-up action; Circuits therefor
    • F15B11/06—Servomotor systems without provision for follow-up action; Circuits therefor involving features specific to the use of a compressible medium, e.g. air, steam
    • F15B11/072—Combined pneumatic-hydraulic systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B3/00—Intensifiers or fluid-pressure converters, e.g. pressure exchangers; Conveying pressure from one fluid system to another, without contact between the fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
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    • F16H61/40—Control of exclusively fluid gearing hydrostatic
    • F16H61/42—Control of exclusively fluid gearing hydrostatic involving adjustment of a pump or motor with adjustable output or capacity
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/16—Mechanical energy storage, e.g. flywheels or pressurised fluids

Definitions

  • the invention relates to an electrical energy storage system for storing and withdrawing electrical energy with at least the following components: a) an electrical connection unit for connecting the energy storage system to an electrical energy supply network, b) a first energy converter which is electrically connected to the electrical connection unit and for conversion of electrical energy supplied via the energy supply network into hydraulic energy, which is provided via a hydraulic medium located in the energy storage system, c) a second energy converter which is hydraulically connected to the first energy converter and for converting the hydraulic energy provided by the first energy converter into gas pressure Energy is set up, which is provided via a compressed gas located in the energy storage system, d) a compressed gas storage unit which is connected to the second energy converter via a compressed gas connection and is set up to store the gas pressure energy provided by the second energy converter in the form of compressed pressure gas.
  • Such an energy storage system can also be referred to as a hydropneumatic energy storage system.
  • the invention also relates to a method for storing and withdrawing electrical energy using an energy storage system of the type mentioned above and a computer program for executing the method.
  • the energy transition plays a central role in climate protection goals.
  • the energy management problems consist in the unpredictability of the energy supply from solar and wind power and the peak loads as well as the unused waste heat the industry.
  • the former leads to planning uncertainties, grid fluctuations and monetary and energy losses in a company's energy procurement. Peak loads cause high costs and also put a strain on local power grids.
  • TWh terawatt hours
  • CAES power plants Conventional compressed air energy storage, also known as CAES power plants, achieve a low level of efficiency and cannot be used in a decentralized manner because they are dependent on underground caverns. What these conventional CAES power plants have in common is that the nitrogen or compressed air is compressed directly by gas compressors during the storage process before it is expanded during the withdrawal process via gas turbines with power output. The compression heat generated in the gas compressor results in a relatively low level of efficiency and cooling systems are required. The higher the gas pressure (and correspondingly the energy density) should be, the more compressor stages are required, the lower the efficiency and the larger the cooling circuit has to be designed.
  • the invention is based on the object of specifying even more efficient and long-lasting options for storing electrical energy using compressed gas.
  • the second energy converter has at least one piston chamber in which a separating piston is movably mounted, the compressed gas being separated from the hydraulic medium by the separating piston, the separating piston comprising a base material and a thermal insulation material which has a lower thermal conductivity than the base material, with the thermal insulation material forming a thermal insulation layer between the compressed gas and the hydraulic medium, g) the second energy converter has at least one hydraulic cylinder and one separate from the hydraulic cylinder and mechanically connected to the hydraulic cylinder coupled pneumatic cylinder, which can be thermally decoupled from the hydraulic cylinder.
  • the energy storage system thus initially has the features a), b), c) and d).
  • the electrical connection unit can, for example, have components for voltage conversion, current conversion and/or frequency conversion of the electrical energy provided by the power supply network.
  • the connection unit can have a transformer and a frequency converter connected downstream of the transformer.
  • the electrical energy supply network can be a public long-distance supply network, or a private energy supply network, eg an internal energy supply network in an industrial company, or a local energy supply network of an energy generation plant, eg a wind farm or a solar energy park.
  • a public long-distance supply network or a private energy supply network, eg an internal energy supply network in an industrial company, or a local energy supply network of an energy generation plant, eg a wind farm or a solar energy park.
  • a different energy supply network or other electrical consumers can be used for withdrawing electrical energy from the energy storage system.
  • the first energy converter can, for example, be implemented in such a way that, with regard to the electrical side, it has an electrical machine, by means of which a hydraulic delivery device, with which the hydraulic medium can be delivered, is driven by means of the electrical energy.
  • the electrical machine can, for example, be designed as an electric motor, e.g. as a synchronous machine or reluctance motor.
  • the hydraulic delivery device can be designed as a hydraulic pump, for example.
  • the design of the hydraulic conveying device as an axial piston machine is advantageous, which leads to a high degree of efficiency in the conversion of mechanical energy into hydraulic energy.
  • an axial piston machine also allows the reverse conversion with high efficiency, i.e. the conversion of hydraulic energy into mechanical energy.
  • the first energy converter can also have several electrical machines acting in parallel and/or several hydraulic conveying devices acting in parallel.
  • the second energy converter can be designed, for example, as a cylinder with a piston that can be moved therein or as an arrangement of a plurality of cylinders with respective movable pistons.
  • the second energy converter can also have several such arrangements, also mixed, which are connected in parallel.
  • the compressed gas storage unit can be formed by one or more gas-tight containers connected in parallel.
  • Electrical energy is withdrawn from the energy storage system by reconverting the gas pressure energy stored in the compressed gas storage unit into electrical energy by means of a decompression process. Similar to storage, withdrawal can take place in two stages, ie via the interposed hydraulic medium, or alternatively also directly by an energy converter which is designed to convert gas pressure energy into electrical energy.
  • an energy converter can be designed, for example, as a gas turbine, by which an electric generator is driven. If the withdrawal is analogous to the storage, ie using an interposed hydraulic medium, the second energy converter can be used for this if it can be operated bidirectionally. The first energy converter can also be used here if it can be operated bidirectionally. Alternatively, another second energy converter can be used to convert the gas pressure energy into hydraulic energy during withdrawal. As an alternative to the first energy converter, a further first energy converter can be used to convert the hydraulic energy into electrical energy during withdrawal. For example, a Pelton turbine with a connected electric generator can be used for the storage.
  • the energy storage system can be designed as an open or closed system.
  • a closed system is characterized in that there is no connection between the compressed gas circuit and the surrounding atmosphere.
  • a compressed gas other than air e.g. nitrogen.
  • an open system there is a connection between the compressed gas circuit and the surrounding atmosphere that can be closed via at least one valve. Through this connection, air from the atmosphere can be taken into the energy storage system or released back into the atmosphere as required.
  • At least part of the second energy converter and/or the compressed gas storage unit can advantageously have a phase change storage medium in which compression heat can be stored.
  • a phase change storage medium can store large amounts of heat and release it again when needed.
  • the materials required for this can be provided easily and inexpensively, with paraffin, water or salt hydrates, for example, being able to be used as the phase change storage medium.
  • An additional cooling medium such as a cooling water circuit or another heat exchanger, in the area of the second energy converter and/or the compressed gas storage unit can be dispensed with.
  • the energy storage system can be constructed in a particularly simple manner.
  • phase change storage medium also called PCM (phase change material)
  • PCM phase change material
  • phase change material has the property that the heat of compression initially causes a temperature increase in the PCM up to the melting point of the PCM. Any additional compression heat leads to a liquefaction of the PCM and no longer directly to a temperature increase in the components (in reality, the temperature increase levels off depending on the heat exchange dynamics (heat transfer surface)). This process is reversible. The heat stored in the PCM can be released again, with the PCM solidifying again below the melting point.
  • the piston space of the movable separating piston can be designed with significantly better thermal insulation, so that the undesirable heat transfer between the compressed gas and the hydraulic medium can be significantly reduced compared to a design of the separating piston without a thermal insulation layer.
  • the floating piston can be made of a base material such as steel, which naturally has a relatively high thermal conductivity. This undesirable heat transfer can be significantly reduced by the thermal insulation layer, which can be arranged, for example, as a plastic layer on one or both surface sides of the floating piston.
  • the second energy converter By designing the second energy converter with hydraulic and pneumatic cylinders that are separated from one another, as indicated in feature g), good thermal decoupling between the compressed gas and the hydraulic medium can also be created.
  • the pneumatic cylinder can be thermally decoupled from the hydraulic cylinder, e.g. by means of a thermal insulation layer arranged between them.
  • each of the cylinders, i. H. the hydraulic cylinder and the problematic cylinder assigned to the hydraulic cylinder have their own piston chamber with a piston arranged movably therein.
  • This design also ensures that the oxygen in the outside air, which is extremely reactive due to the compression, can never come into contact with the hydraulic medium, eg oil.
  • Oil can react explosively with oxygen and high pressure and heat. If normal piston accumulators were used in this concept, oil leaks from the piston seal in combination with the oxygen in the air could be dangerous. In addition to this safety aspect, the oil also ages faster in the presence of oxygen, resulting in more maintenance and/or a shorter lifespan.
  • the hydraulic cylinder and the pneumatic cylinder can each have a piston rod, for example, via which they are mechanically coupled to one another.
  • the mechanical coupling of the piston rods can take place via a material with low thermal conductivity or an arrangement with low thermal conductivity.
  • the hydraulic cylinder can be coupled directly to the pneumatic cylinder assigned to it, e.g. by the cylinders being flanged directly to one another or connected to one another in some other way.
  • the hydraulic cylinder can also be arranged at a distance from the pneumatic cylinder assigned to it, i.e. not directly structurally fastened with its housing to the housing of the pneumatic cylinder.
  • the hydraulic cylinder has a piston chamber which is divided into two separate chambers by a piston movably mounted in the piston chamber, one chamber being able to be filled with the hydraulic medium and the second chamber being able to be filled with an inert gas wherein the energy storage system may have an inert gas reservoir connected or connectable to the second chamber.
  • the energy storage system may have an inert gas reservoir connected or connectable to the second chamber.
  • the pneumatic cylinder has a piston chamber which is divided into two separate chambers by a piston movably mounted in the piston chamber, one chamber being able to be filled with the compressed gas and the second chamber being able to be filled with a non-flammable liquid is, wherein the energy storage system may have a reservoir with the non-combustible liquid, which is connected or connectable to the second chamber of the pneumatic cylinder.
  • the energy storage system may have a reservoir with the non-combustible liquid, which is connected or connectable to the second chamber of the pneumatic cylinder.
  • the inert gas can be, for example, nitrogen.
  • the non-flammable liquid can be water. With this combination, for example, oil can be used as the hydraulic medium and air from the environment as the compressed gas.
  • Such loading of the respective second chamber of the hydraulic cylinder and/or the pneumatic cylinder can also minimize wear on the cylinder. Since a combination of a gas and a liquid is present in the hydraulic cylinder or in the pneumatic cylinder, the piston seals are protected and dry running is avoided. In addition, the piston seals can be stabilized by the back pressure, which means that overall less hydraulic fluid from the hydraulic cylinder and compressed gas from the pneumatic cylinder unintentionally reach the other side of the piston. This arrangement therefore increases the efficiency and the longevity of the energy store.
  • the second energy converter can implement the forced return of the pistons with the help of cyclical back and forth transport of inert gases and non-flammable liquids.
  • the second energy converter can avoid accumulation of combustible gas mixtures, for example air-oxygen in contact with hydraulic fluids, by means of a chamber filled with an inert gas and/or with the help of a chamber filled with a non-flammable liquid within the piston accumulator or double piston accumulator.
  • the effective cross-sectional area of the piston of the hydraulic cylinder is larger or smaller than the effective cross-sectional area of the pneumatic cylinder assigned to the hydraulic cylinder. In this way, a hydraulic-pneumatic pressure intensification can be implemented with little effort.
  • the compressed gas is compressed when storing electrical energy in the energy storage system by means of a multi-stage process, with at least the first stage of compression being carried out by a compression machine that is or can be connected to the compressed gas circuit of the second energy converter.
  • the compression machine can, for example, be designed as a compressor or as an inversely operated gas or compressed air turbine.
  • the compression machine may be present as an additional component of the energy storage system. This has the advantage that whenever there is a need to supply additional compressed gas to the compressed gas circuit of the energy storage system from the outside, this compressed gas can be stored in an already precompressed state. In this way, the efficiency of the energy storage system can be further increased.
  • air can be sucked in from the atmosphere by the compressor and fed into the compressed gas circuit of the second energy converter as pre-compressed air.
  • the compressed gas can already be pre-compressed to a pressure in the range of 40 to 80 bar, for example, when it is fed to the second energy converter.
  • the expansion of the compressed gas takes place when electrical energy is withdrawn from the energy storage system by means of a multi-stage process, with at least the last stage of the expansion being carried out by an expansion machine that is or can be connected to the compressed gas circuit of the second energy converter.
  • the expansion machine can be designed, for example, as a gas or compressed air turbine or as an inversely operated compressor. This also allows the efficiency of the energy storage system to be increased further.
  • the compressed gas storage unit has a heat exchanger through which waste heat supplied externally to the heat exchanger or the compression heat stored during loading can be fed to the compressed compressed gas.
  • Additional energy can be supplied to the compressed gas through the heat exchanger of the compressed gas storage unit, with energy being able to be advantageously used which is produced as a waste product, for example in industrial manufacturing processes (so-called waste heat).
  • waste heat energy sources that provide heat
  • other energy sources that provide heat can also be used, eg solar collectors, which are also connected to the heat exchanger. As a result, the efficiency of the energy storage system can be further increased.
  • phase change storage medium is arranged on an outside of at least part of the second energy converter and/or the compressed gas storage unit, on which cooling fins and/or other cooling structures are arranged. In this way, the heat transfer from the compressed gas to which the heat of compression is applied can be optimized into the phase change storage medium.
  • the cooling ribs and/or other cooling structures are covered with a heat-insulating material layer and the phase change storage medium is located in the space between the heat-insulating material layer, the cooling ribs and/or other cooling structures and the outside of at least one part of the second energy converter and / or the compressed gas storage unit remaining cavities is arranged.
  • the phase change storage medium can be at least partially separated from the atmosphere with the heat-insulating material layer.
  • the heat-insulating material layer can, for example, be a plastic layer, for example a plastic film. This allows the corresponding parts of the second energy converter and/or the compressed gas storage unit to be manufactured simply and inexpensively.
  • conventional, commercially available storage containers can be used for the production of the compressed gas storage unit, which are equipped with cooling ribs and/or other cooling structures on the outside.
  • the ones with cooling fins and/or other cooling structures equipped storage containers can then be surrounded with a heat-insulating material layer, for example by arranging them in a bag made of plastic film.
  • the liquid-form phase-change memory medium is filled in the space between the heat-insulating material layer, the cooling fins and the outside.
  • the arrangement formed in this way can then be surrounded on the outside with an additional thermal insulation material.
  • the compression heat stored in the phase change storage medium can be fed back to the compressed gas during the expansion of the compressed gas and/or during withdrawal from the compressed gas storage unit.
  • the energy storage system is designed without a heat exchanger in the area of the second energy converter. This allows the energy storage system to be constructed in a simple and cost-effective manner. Such a heat exchanger can be dispensed with because the phase change storage medium can provide sufficient storage capacity for the heat of compression.
  • the first energy converter is designed as a bidirectional energy converter, through which optionally supplied electrical energy can be converted into hydraulic energy or hydraulic energy can be converted into electrical energy to be stored from the energy storage system.
  • This has the advantage that no further first energy converter is required for the withdrawal process. In this way, the energy storage system can be implemented in a relatively compact and cost-effective manner.
  • the second energy converter is designed as a bidirectional energy converter, through which optionally supplied hydraulic energy can be converted into gas pressure energy or gas pressure energy to be discharged from the compressed gas storage unit can be converted into hydraulic energy.
  • the second energy converter is connected to a hydraulic system that has a tank in which a supply of hydraulic medium is stored.
  • a tank in which a supply of hydraulic medium is stored.
  • the tank can, for example, compensate for the volumetric losses of the hydraulic motor and all other leakage flows.
  • the tank is hydraulically coupled to the second energy converter via a hydraulic pump and a filter. This can ensure that clean hydraulic medium is always supplied to the second energy converter. In this way, a long service life of the energy storage system can be achieved.
  • a phase change storage medium is arranged around the tank and/or in the area of the first energy converter. In this way, unnecessary efficiency losses can be avoided. Due to the phase change storage medium, the hydraulic medium can always be kept at an optimal working temperature.
  • the second energy converter is designed as a single-stroke system in which the maximum storage capacity is limited by the available capacity of the second energy converter for the hydraulic medium.
  • the energy storage system being particularly suitable for implementing a power concept, ie energy can be stored both with high power and energy can be withdrawn with high power.
  • the second energy converter is designed as a cyclically operated alternating stroke system, in which at least when storing electrical energy in the energy storage system, the hydraulic medium cyclically back and forth between a first and a second piston accumulator of the second energy converter is promoted.
  • This has the advantage that very large amounts of energy can be stored.
  • less hydraulic and pneumatic cylinder volume, less hydraulic medium and less tank volume is required.
  • Such an energy storage system is particularly suitable for realizing an energy storage system with a high capacity.
  • a housing that corresponds to a freight container according to ISO 668, in particular a 20-foot or 40-foot freight container.
  • the energy storage system is provided in a manner that is easy for the user to handle.
  • the transport of the energy storage system to the place of use or to different places of use is particularly easy because available transport capacities can be used by conventional commercial vehicles.
  • a further advantage is that a commercially available freight container can be used directly as the housing, so that inexpensive and robust housings are available for implementing the energy storage system.
  • the first energy converter has a hydraulic motor with an adjustable cubic capacity.
  • This has the advantage that a particularly advantageous speed control and/or power control can be implemented in the first energy converter by adjusting the displacement of the hydraulic motor.
  • An advantageous method for storing and withdrawing electrical energy using an energy storage system of the aforementioned type, for example an energy storage system with features a), b), c) and d), comprises the following method steps: i) storing electrical energy in the energy storage system Converting the electrical energy via the first energy converter into hydraulic energy and the hydraulic energy via the second energy converter into gas pressure energy and storing the gas pressure energy in the form of compressed compressed gas in the compressed gas storage unit, j) withdrawing electrical energy from the energy storage system by decompressing compressed compressed gas stored in the compressed gas storage unit and generating hydraulic energy therefrom via the second energy converter or a further second energy converter, and converting the hydraulic energy via the first energy converter or a further first energy converter into electr ical energy and deliver the electrical energy to the electrical power supply network or another electrical consumer.
  • the method can have one, several or all of the following method steps k), I), m): k) thermal energy in the form of industrial waste heat and/or heat from solar collectors is supplied to the energy storage system as a further energy carrier, with the heat energy in the energy storage system being used to the compressed gas located in the compressed gas storage unit is heated, l) the compressed gas circuit of the second energy converter can be connected to the surrounding atmosphere via at least one valve, the valve being opened cyclically when electrical energy is withdrawn from the energy storage system and is closed, the valve being closed in a respective cycle before a specific pressure value of the gas pressure in the compressed gas circuit of the second energy converter is reached, which is above atmospheric pressure, m) the compressed gas storage unit is connected via at least one valve to the Compressed gas circuit of the second energy converter can be connected, with the compressed gas line being opened or closed cyclically with at least one check valve and/or a directional control valve, with the check valve and/or directional control valve being opened or closed in a respective cycle before a specific pressure value of the gas
  • another energy source can thus be used to optimize the efficiency of the energy storage system.
  • the effort required for this is relatively low, since a suitable heat exchanger for absorbing the thermal energy is only required in the energy storage system at a suitable point, e.g. in the compressed gas storage unit.
  • the efficiency of the energy storage system can be optimized by an innovative control of the at least one valve during withdrawal.
  • the valve can be opened at the beginning of a particular cycle and closed again before the end of the cycle.
  • As a closing condition it can be checked, for example, whether the product of pressure and volume in the pneumatic cylinder has reached a specific value. The value depends on the nominal volume of the pneumatic cylinder and the minimum required differential pressure of the hydraulic motor, eg 40 bar.
  • the at least one valve closes in such a way that at the end of the cycle, when the pneumatic piston has reached its end point, the minimum pressure for the hydraulic motor is present.
  • the pneumatic cylinder is reconnected to the atmosphere in the next cycle, only this minimum pressure is lost or a smaller air mass is lost compared to later switching. If a two-stage process is also provided for the withdrawal, the final pressure or the remaining air mass can be Compressed air turbine can be relaxed and is not lost. With this valve switching, the maximum pressure of a standard compressed air turbine can be set exactly.
  • a particularly efficient and low-loss speed control of the hydraulic motor can be implemented, which also benefits the operating efficiency of the energy storage system.
  • the energy storage system can have a control unit, for example a control unit controlled by a computer, by means of which the individual components are controlled.
  • a control unit for example a control unit controlled by a computer, by means of which the individual components are controlled.
  • the required valves in the compressed gas circuit and/or in the hydraulic circuit can also be controlled by the control unit.
  • the object mentioned at the outset is also achieved by a computer program with program code means set up to carry out a method of the type explained above when the computer program is executed on a computer of a control unit of the energy storage system. At least the control functions for controlling the energy storage system can be carried out by the computer program in order to carry out the method steps explained above.
  • the computer program can also be used to implement one, several or all of the following functions: a) digital or analog measurements, storage and processing of at least one of the parameters temperature, pressure, volume flow and mass flow within the electrical energy storage system, b) control of the valves for the Implementation of a multi-stage compression and expansion process within the electrical energy storage system, c) control of the speed and/or position of the displacement of the hydraulic motor of the first energy converter to optimize the energy conversion efficiency and long-lasting operation during charging and/or during the discharging of the electrical energy storage system, d) Implementation of operational monitoring and maintenance of the electrical energy storage system, at least one part of which can be carried out with an increase in machine learning for the purpose of predicting at least one incident and/or loss of use, e) Provision of a digital communication channel or an interface for the integration of the electrical Energy storage system for integration into a virtual power plant and/or in a network of energy storage devices based on a swarm concept, f) automatic generation and transmission of bills for operators and/or users of the electrical energy storage
  • the speed control and/or power control can be implemented via the displacement adjustment of the hydraulic motor, which ensures that the hydraulic motor and the generator are always operated at the optimum operating point.
  • pneumatic or “pneumatic” is used, this does not refer exclusively to air as the gas used, but includes gases of any kind.
  • pneumatic cylinder this also includes piston cylinders that contain a non-flammable liquid in a piston chamber.
  • Figure 1 shows an energy storage system in a first embodiment
  • FIG. 2 shows a second energy converter in a first embodiment
  • FIG. 3 shows a tank
  • Figure 4 shows an energy storage system in a second embodiment
  • Figure 5 shows a second energy converter in a second embodiment
  • Figure 6 shows a compressed gas storage unit in a first embodiment
  • Figure 7 shows a compressed gas storage unit in a second embodiment
  • Figure 8 shows an energy storage system in a third embodiment
  • FIG. 9 shows a second energy converter in a third embodiment.
  • the energy storage system shown in FIG. 1 is designed as a closed system.
  • the energy storage system has an electrical connection unit for connecting the energy storage system to an electrical energy supply network LO, for example to a three-phase network.
  • the electrical connection unit has a transformer L.1 and a frequency converter L.5, L.7.
  • the frequency converter L.5, L.7 is connected to an electrical machine L.8, which is connected to an adjustable axial piston machine L.10 via a clutch L.9.
  • the electrical machine L.8 and the axial piston machine L.10 together with the clutch L.9 form a first energy converter of the energy storage system.
  • the axial piston machine L.10 is hydraulically connected to a hydraulic circuit in which a first valve L.6, a second valve L.11, a tank L.15, a backing pump L.14, which is driven by a motor L.13 can be, and a filter L.12 is arranged.
  • a hydraulic medium, eg oil, can be used in the hydraulic circuit.
  • the first valve L.6 can be designed as a 3/3-way valve, the second valve L.11 as a 2/2-way valve.
  • the first valve can also be designed differently, for example as a combination of several 3/2-way valves or 2/2-way valves.
  • the first valve L.6 is connected to one or more parallel piston accumulators L.3a-L.3d.
  • the piston accumulators L.3a-L.3d form a second energy converter for the energy conversion of hydraulic medium/compressed gas.
  • the piston accumulators L.3a-L.3d are connected to a compressed gas storage unit L.2a-L2.d via compressed gas lines.
  • the compressed gas storage unit L.2a-L.2d can have several storage containers connected in parallel, eg gas cylinders.
  • the pumping work of the axial piston machine L.10 in the piston accumulators L.3a-3d leads to a displacement of the piston “upwards”, i.e. to a reduction in the gas volume, whereupon the gas in the gas cylinders L.2a-2d is compressed and its pressure increases becomes.
  • the 3-3-way valve L.6 is set to position 1, so that the same direction of rotation of the axial piston machine L.10 is achieved when releasing and storing.
  • the axial piston machine L.10 expands the oil under gas pressure and drives the electric machine L.8.
  • the oil is fed back into the tank L.15 via the shut-off valve L.11 position 2. Pure nitrogen can be used as the gas.
  • the E.5 cooling fin frame is covered with a thin layer of plastic and the PCM is placed in the remaining cavities.
  • thermal insulation E.7 for example made of foam, polystyrene, is implemented.
  • the underside of the piston is provided with a heat insulating layer E.11, eg solid plastic, in order to minimize the heat transfer from oil to gas.
  • the effect of the PCM The heat of compression flows over the outer cylinder wall to the cooling fins and to the PCM and initially causes the temperature of these components and the gas to increase up to the melting point of the PCM. Any additional compression heat leads to a liquefaction of the PCM and no longer directly to a temperature increase in the components (in reality, the temperature increase levels off depending on the heat exchange dynamics (heat transfer surface).
  • FIG 3 shows a modified tank, for example the L.15 tank. Similar to the piston accumulator L3a-3d, a cooling fin frame E.5 made of aluminum (alternatively copper, ceramics) can be attached around the tank. The E.5 cooling fin frame is covered with a thin layer of plastic and the PCM is placed in the remaining cavities. A few centimeters thick thermal insulation E.7, e.g. made of foam, styrofoam, is implemented around the plastic layer. The PCM E.6 with the cooling fins E.5 and the insulation E.7 around the tank always keeps the oil at the optimum working temperature, since the optimum working temperature of the oil (46 - 52 °C) corresponds relatively exactly to the melting temperature of the PCM.
  • a cooling fin frame E.5 made of aluminum (alternatively copper, ceramics) can be attached around the tank.
  • the E.5 cooling fin frame is covered with a thin layer of plastic and the PCM is placed in the remaining cavities.
  • FIG. 4 shows an embodiment of an energy storage system that is well suited as a capacity concept.
  • the energy storage system according to FIG. 4 is designed as an open system, which is connected to the atmosphere if necessary.
  • An electrical power supply network KO is connected via an electrical connection unit K.6, K.11, K.12 to the first energy converter K.14, K.15, K.16, K.17.
  • the electrical connection unit can have a transformer K.6 and a frequency converter K.11, K.12.
  • the first energy converter can have an electrical machine K.14 and an axial piston pump K.17 as a conveying device for the hydraulic medium.
  • the electrical machine K.14 is connected to this axial piston machine K.17 via a clutch K.15 and a flywheel mass K.16, which is coupled to the shaft of the axial piston machine K.17.
  • the K.17 axial piston machine is connected to a hydraulic circuit. Similar to the embodiment of FIG. 1, the hydraulic circuit has a tank K.21, a backing pump K.22 with an electric motor K.19 and a filter K.18. Furthermore, there is also a first valve K.13 for controlling the hydraulic medium, which in this case is designed as a 4/3-way valve. Of course, the first valve K.13 can also be formed by a different arrangement of directional control valves.
  • the first valve K.13 serves to connect the hydraulic circuit explained, in particular the axial piston machine K.17, to a first hydraulic cylinder group K.8a-K.8d and a second hydraulic cylinder group K.10a-K.10d.
  • the respective hydraulic cylinders of the two hydraulic cylinder groups K.8a-K.8d, K.10a-K.10d are mechanically coupled via their piston rods to the respective pneumatic cylinders K.7a-K.7d, K.9a-K.9d.
  • These arrangements of the hydraulic cylinders and the pneumatic cylinders form the second energy converter.
  • the hydraulic medium can be pumped alternately from the first hydraulic cylinder group K.8a-K.8d into the second hydraulic cylinder group K.10a-K.10d or in the opposite direction, i.e. from the second hydraulic cylinder group K.10a-K.10d into the first hydraulic cylinder group K.8a-K.8d.
  • Control shut-off valves K.2, K.3 optionally connected to the compressed gas storage unit, which in this case, similar to the embodiment of Figure 1, by several rere parallel gas cylinders K.1 aK.1 d is formed.
  • the compressed gas connections of the pneumatic cylinders can be connected to an atmosphere connection K.21 via control shut-off valves K.4, K.5, optionally via an air filter K.20.
  • the atmosphere connection K.21 is connected to the surrounding air atmosphere.
  • excess electrical energy can be used to drive the electrical machine K.14, which is coupled to the axial piston machine K.17, when storing energy.
  • This converts the mechanical power into hydraulic power and pumps the working fluid (e.g. hydraulic oil) from one or more hydraulic cylinders K.8a-8d connected in parallel into the second group of one or more hydraulic cylinders K.10a-10d connected in parallel .
  • Each hydraulic cylinder is rigidly connected to a pneumatic cylinder K.7a-7d, K.9a-9d.
  • the energy store is fully charged when the pressure in the compressed gas cylinders K.1a-1d reaches a specific maximum pressure (up to 350 or 500 bar).
  • a specific maximum pressure up to 350 or 500 bar.
  • the compressed gas cylinders are always switched to the side with the full hydraulic cylinders and correspondingly empty pneumatic cylinders, so that the function is reversed and the axial piston machine K.17 uses the differential pressure of the compressed gas cylinders to atmospheric pressure to drive the electric machine K.14 can use.
  • FIG. 5 shows an example of one of the hydraulic cylinder/pneumatic cylinder arrangements from FIG Hydraulic cylinder E.9 not.
  • FIG. 6 shows the simplified sectional view of a gas cylinder from the side and a gas cylinder bundle from above.
  • the gas cylinders E.3, e.g. with a volume of 50 to 400 l each, are procured in the required number, provided with the cooling structures E.5 and set up in a frame, e.g. made of steel and/or aluminum, in which several gas cylinders can be accommodated.
  • a frame e.g. made of steel and/or aluminum, in which several gas cylinders can be accommodated.
  • the number of gas cylinder bundles is determined according to the customer's capacity requirements.
  • the PCM E.6 is placed in the cavities.
  • the frame is heated so that the PCM melts and the cavities are fully utilized.
  • thermal insulation E.7 made of e.g. foam, styrofoam, a few centimeters, is implemented around the frame.
  • FIG. 7 shows the simplified sectional view of a gas cylinder from the side and a gas cylinder bundle from above.
  • the gas cylinders E.3 are wrapped with a cuboid water line E.2 with good thermal conductivity, the ends of which are connected to a flow connection E.1 and a return flow connection E.4 of the frame.
  • the heat-carrying water can surround the gas bottles directly and, when the temperature falls below a certain level, can be drained off and replaced with new, heat-carrying water.
  • the frame is finally surrounded with insulation material E.7.
  • the warm water from the industrial waste heat flows in the course to the gas cylinders around, heats it, thereby increasing the gas pressure in it and flows out colder from the return line.
  • the compressed gas storage unit of the entire energy storage system can consist of one or more units according to Figure 6, one or more units according to Figure 7 or a combination of units according to Figures 6 and 7, which, together or separately, are housed in containers can become.
  • the container of the compressed gas storage unit can be insulated from the inside and provided with a compressed gas connection for connection to the container in which the power unit of the energy storage system is housed.
  • the supply and return connection must of course also be provided on the container, where the individual supply and return connections of the waste heat capacity units are interconnected.
  • FIG. 8 shows a third embodiment of an energy storage system which, like the embodiment in FIG. 4, is designed as an open system.
  • a compression machine K.22 is arranged downstream of the air filter K.23 on the intake side. The air sucked in from the atmosphere is already pre-compressed and fed into the compressed gas circuit by the compression machine K.22. In this way, a multi-stage process can be implemented when storing electrical energy in the energy storage system.
  • the compression machine K.22 can be connected to the pneumatic cylinder K.7a via the valve K.2.
  • a connection to the pneumatic cylinder K.9a can also be established by switching the valve K.3.
  • a connection to the compressed gas storage unit K.1a-K.1d can be established via the valve K.5.
  • pressurized gas can be vented from the pressurized gas circuit to atmosphere in a two-stage process.
  • An expansion machine K.27 is available for this purpose, which can be connected to the compressed gas circuit via a valve K.4.
  • the K.27 expansion machine allows additional energy to be recovered when the compressed gas is released into the atmosphere.
  • the second energy converter is configured in the form of respective hydraulic cylinders, which are mechanically coupled to a pneumatic cylinder assigned to them.
  • an embodiment of these coupled cylinders is proposed such that they are mechanically coupled directly to their housings, for example by being flanged to one another. The further details of such an embodiment will be discussed below with reference to FIG.
  • the cylinders K.7a, K.8a and/or the cylinders K.9a, K.10a can be designed in accordance with the embodiment of FIG. 9, or in a different way, as described, for example, with reference to the previously explained exemplary embodiments.
  • the piston chambers of the hydraulic cylinders K.8a, K.10a that are not to be filled with hydraulic medium are connected to a reservoir K.29.
  • An inert gas is stored in the reservoir K.29.
  • the piston chambers of the pneumatic cylinders K.7a, K.9a that are not to be filled with compressed gas are connected to a reservoir K.28.
  • a non-flammable liquid is stored in the reservoir K.28.
  • excess electrical energy can be used to drive the electrical machine K.14, which is coupled to the axial piston machine K.17, when storing energy.
  • This converts the mechanical power into hydraulic power and pumps the working fluid (e.g. hydraulic oil) from at least one hydraulic cylinder K.8a connected in parallel into the second group of hydraulic cylinders K.10a connected in parallel.
  • Each hydraulic cylinder is rigidly connected to a pneumatic cylinder K.7a, K.9a.
  • a loading cycle begins with the pneumatic cylinder K.7a filled with compressed gas to form the compressor K.22.
  • the hydraulic power is used in the first sub-cycle to press the compressed gas into the pneumatic cylinder K.9a, which is connected in parallel.
  • heat can be removed from the compressed gas with the help of the heat exchanger K.26.
  • the working fluid is pressed out of the piston K.10a and pumped into the hydraulic cylinders K.8a via the axial piston machine.
  • the gas volume of the pneumatic cylinder K.9a is smaller than the gas volume of the pneumatic cylinder K.7a, which is why gas compression occurs.
  • the compressor K.22 fills the pneumatic cylinder K.7a with compressed gas, thereby pushing the working fluid out of the hydraulic piston.
  • the axial piston machine conveys the working fluid into the hydraulic cylinder K.10a, while the pressurized gas is compressed in the pneumatic cylinder K.9a and pressed into the gas cylinders K.1a-1d.
  • the first loading cycle is completed after these processes and another loading cycle can begin.
  • the energy store is fully charged when the pressure in the compressed gas cylinders K.1a-1d reaches a specific maximum pressure (up to 350 or 500 bar). The longer the storage period for the required application, the more compressed gas cylinders are used and the more cycles are run through.
  • An unloading cycle starts with the pneumatic cylinder K.9a with minimal gas volume and the hydraulic cylinder K.10a rigidly connected to it, which is completely filled with the hydraulic fluid.
  • the pneumatic cylinder K.7a has a maximum gas volume under pressure.
  • the first sub-cycle begins with the connection of the gas cylinders K.1a-1d to the pneumatic cylinder K.9a.
  • the final pressure of the pneumatic cylinder K.9a can be adjusted by the valve K.5.
  • the working fluid is pushed out of the hydraulic cylinder K.10a by the applied gas pressure and released via the hydraulic motor K.17 and conveyed into the hydraulic cylinder K.8a.
  • the compressed gas in K.7a is expanded via the turbine K.27a.
  • the second partial cycle begins with the connection of the pneumatic cylinder K.9a to the pneumatic cylinder K.7a through the valve K.3. During this process, heat can be added to the compressed gas with the help of the heat exchanger K.26. Due to the differently sized piston areas of the cylinders K.7a and K.8a and the cylinders K.9a and K.10a, a pressure increase is realized which leads to a pressure difference and accordingly to a mechanical output at the hydraulic motor K.17. The electrical machine K.14 converts the mechanical power into electrical power and makes it available again to the connection point via the components K.12 and K.11.
  • FIG. 9 shows an advantageous embodiment of a second energy converter in the form of directly mechanically coupled cylinders K.7a, K.8a.
  • the hydraulic cylinder K.8a has a housing 1 in which a piston 5 is longitudinally movable. is stored.
  • the piston 5 divides the interior of the housing 1 into a first piston chamber 3 and a second piston chamber 4 .
  • the size of the piston chambers 3, 4 is changed.
  • the pneumatic cylinder K.7a has a housing 7 in which a piston 11 is mounted so that it can move longitudinally.
  • the piston 11 divides the interior of the housing 7 into a first piston chamber 9 and a second piston chamber 10 .
  • the size of the piston chambers 9, 10 is changed.
  • the effective piston areas of the pistons 5 and 11 can be the same size or different.
  • the piston area of the piston 5 can be larger or smaller than the piston area of the piston 11 .
  • the housings 1, 7 of the cylinders K.7a, K.8a are connected to one another via flanges 2, 8.
  • the piston 5 is connected to the piston 11 via a continuous piston rod 6 , 12 .
  • the first piston space 3 serves as a receiving space for the hydraulic medium, e.g. oil.
  • the first piston space 9 of the pneumatic cylinder K.7a serves as a receiving space for the compressed gas, e.g. air from the atmosphere.
  • the second piston chamber 4 of the hydraulic cylinder K.8a is connected to the reservoir K.29. Depending on the position of the piston 5, more or less inert gas is stored from the reservoir K.29 in the second piston chamber 4 of the hydraulic cylinder K.8a.
  • the second piston chamber 12 of the pneumatic cylinder K.7a is connected to the reservoir K.28. Depending on the position of the piston 11, more or less non-flammable liquid is stored in the second piston space 12 of the pneumatic cylinder K.7a from the reservoir K.28.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Energiespeichersystem zur Ein- und Ausspeicherung elektrischer Energie mit wenigstens den folgenden Komponenten: a) eine elektrische Anschlusseinheit zum Anschluss des Energiespeichersystems an ein elektrisches Energieversorgungsnetz, b) ein erster Energiewandler, der mit der elektrischen Anschlusseinheit elektrisch verbunden ist und zur Umwandlung von über das Energieversorgungsnetz zugeführter elektrischer Energie in hydraulische Energie eingerichtet ist, die über ein im Energiespeichersystem befindliches Hydraulikmedium bereitgestellt wird, c) ein zweiter Energiewandler, der mit dem ersten Energiewandler hydraulisch verbunden ist und zur Umwandlung der vom ersten Energiewandler bereitgestellten hydraulischen Energie in Gasdruck-Energie eingerichtet ist, die über ein im Energiespeichersystem befindliches Druckgas bereitgestellt wird, d) eine Druckgas-Speichereinheit, die über eine Druckgas-Verbindung mit dem zweiten Energiewandler verbunden ist und zur Speicherung der vom zweiten Energiewandler bereitgestellten Gasdruck-Energie in Form komprimierten Druckgases eingerichtet ist. Ein solches Energiespeichersystem kann auch als hydropneumatisches Energiespeichersystem bezeichnet werden. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Ein- und Ausspeicherung elektrischer Energie mittels eines Energiespeichersystems der zuvor genannten Art und ein Computerprogramm zur Ausführung des Verfahrens.

Description

Elektrisches Energiespeichersystem und Verfahren zur Ein- und Ausspeicherung elektrischer Energie sowie Computerprogramm
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Energiespeichersystem zur Ein- und Ausspeicherung elektrischer Energie mit wenigstens den folgenden Komponenten: a) eine elektrische Anschlusseinheit zum Anschluss des Energiespeichersystems an ein elektrisches Energieversorgungsnetz, b) ein erster Energiewandler, der mit der elektrischen Anschlusseinheit elektrisch verbunden ist und zur Umwandlung von über das Energieversorgungsnetz zugeführter elektrischer Energie in hydraulische Energie eingerichtet ist, die über ein im Energiespeichersystem befindliches Hydraulikmedium bereitgestellt wird, c) ein zweiter Energiewandler, der mit dem ersten Energiewandler hydraulisch verbunden ist und zur Umwandlung der vom ersten Energiewandler bereitgestellten hydraulischen Energie in Gasdruck-Energie eingerichtet ist, die über ein im Energiespeichersystem befindliches Druckgas bereitgestellt wird, d) eine Druckgas-Speichereinheit, die über eine Druckgas-Verbindung mit dem zweiten Energiewandler verbunden ist und zur Speicherung der vom zweiten Energiewandler bereitgestellten Gasdruck-Energie in Form komprimierten Druckgases eingerichtet ist.
Ein solches Energiespeichersystem kann auch als hydropneumatisches Energiespeichersystem bezeichnet werden. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Ein- und Ausspeicherung elektrischer Energie mittels eines Energiespeichersystems der zuvor genannten Art und ein Computerprogramm zur Ausführung des Verfahrens.
Für die Klimaschutzziele spielt die Energiewende eine zentrale Rolle. Die energiewirtschaftlichen Probleme bestehen in der Unvorhersagbarkeit des Energieangebotes der Solar- und Windkraft und den Spitzenlasten sowie der ungenutzten Abwärme der Industrie. Ersteres führt zu Planungsunsicherheiten, Netzschwankungen und zu monetären sowie energetischen Verlusten in der Energiebeschaffung eines Unternehmens. Spitzenlasten verursachen hohe Kosten und belasten ebenfalls örtliche Stromnetze. Die ca. 226 Terawattstunden (TWh) Industrie-Wärme und die ca.
5,5 TWh Windenergie, die jedes Jahr in Deutschland ungenutzt bleiben, sind ein erheblicher Faktor für Ineffizienz und gleichzeitig für Einsparpotentiale. Insgesamt führt der Ausbau der Solar- und Windkraft bei gleichzeitigem Rückbau der grundlastfähigen Atom- und Kohlekraftwerke zu einem wachsenden Energieausgleichsbedarf für die Netzstabilität.
Energiespeicher können Energieausgleichsbedarfe prinzipiell bewerkstelligen. Den Großteil der Energiespeicherung übernehmen heutzutage Pumpspeicherkraftwerke und Batterien. Der Ausbau der Pumpspeicherkraftwerke ist in Deutschland seit 2015 stagnierend. Unter den Batterien ist mit großem und größer werdendem Abstand die Lithium-Batterie führend. Ihr großer Nachteil, der mit zunehmender Verwendung ein größer werdendes Problem darstellt, ist die für die großskalige Einspeicherung enorme Verwendung kritischer Ressourcen. Aufgrund ihrer vergleichsweise geringen Robustheit (Zyklenstabilität), ihrer Kapazitäts- und Leistungsdegradation und der Sensitivität gegenüber Tiefenentladungen ist ihre Lebensdauer auf fünf, maximal 15 Jahre begrenzt.
Konventionelle Druckluftenergiespeicher, auch CAES-Kraftwerke genannt, erreichen einen niedrigen Wirkungsgrad und können nicht dezentral eingesetzt werden, weil sie auf Untergrund-Kavernen angewiesen sind. Gemeinsam haben diese konventionellen CAES-Kraftwerke, dass im Einspeichervorgang der Stickstoff bzw. die Druckluft direkt durch Gaskompressoren verdichtet wird, bevor sie im Ausspeichervorgang über Gasturbinen unter Leistungsabgabe entspannt wird. Durch die entstehende Kompressionswärme im Gaskompressor resultiert ein relativ geringer Wirkungsgrad und Kühlsysteme werden erforderlich. Je höher der Gasdruck (und entsprechend die Energiedichte) werden soll, desto mehr Verdichterstufen werden benötigt, desto geringer ist der Wirkungsgrad und desto größer muss der Kühlkreislauf ausgelegt werden.
In der Machbarkeitsstudie über dezentrale Hydraulik-Druckgas-Speicher, Autorinnen:
Hermann Edtmayer, Mario Habring, Markus Rabensteiner, Thomas Nacht, Manfred Tragner, 4ward Energy Research GmbH, erstellt am 27/02/2017, werden weitere Ansätze für Druckluftenergiespeicher beschrieben, die mit geringerem Aufwand realisierbar sind als CAES-Kraftwerke.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, noch effizientere und langlebigere Möglichkeiten der Speicherung elektrischer Energie mittels Druckgas anzugeben.
Diese Aufgabe wird bei einem elektrischen Energiespeichersystem der eingangs genannten Art durch eines, mehrere oder alle der folgenden Merkmale e), f), g), gelöst: e) wenigstens ein Teil des zweiten Energiewandlers und/oder der Druckgas-Speichereinheit weist ein Phasenwechselspeichermedium auf, in dem beim Komprimieren des Druckgases entstehende Kompressionswärme speicherbar ist, f) der zweite Energiewandler weist wenigstens einen Kolbenraum auf, in dem ein Trennkolben beweglich gelagert ist, wobei durch den Trennkolben das Druckgas vom Hydraulikmedium getrennt ist, wobei der Trennkolben ein Basismaterial und ein Wärmeisolationsmatenal aufweist, das eine geringere Wärmeleitfähigkeit hat als das Basismaterial, wobei durch das Wärmeisolationsmaterial eine Wärmeisolationsschicht zwischen dem Druckgas und dem Hydraulikmedium gebildet ist, g) der zweite Energiewandler weist wenigstens einen Hydraulikzylinder und einen vom Hydraulikzylinder separaten, mit dem Hydraulikzylinder mechanisch gekoppelten Pneumatikzylinder auf, der vom Hydraulikzylinder thermisch entkoppelt sein kann.
Das Energiespeichersystem weist somit zunächst die Merkmale a), b), c) und d) auf. Die elektrische Anschlusseinheit kann beispielsweise Komponenten zur Spannungswandlung, Stromwandlung und/oder Frequenzwandlung der vom Energieversorgungsnetz bereitgestellten elektrischen Energie haben. Beispielsweise kann die Anschlusseinheit einen Transformator und einen dem Transformator nachgeschalteten Frequenzumrichter haben.
Das elektrische Energieversorgungsnetz kann ein öffentliches Fernversorgungsnetz sein, oder ein privates Energieversorgungsnetz, z.B. ein internes Energieversorgungsnetz in einem Industriebetrieb, oder ein lokales Energieversorgungsnetz einer Energieerzeugungsanlage, z.B. eines Windparks oder eines Solarenergie-Parks. Für die Ausspeicherung elektrischer Energie aus dem Energiespeichersystem kann dasselbe elektrische Energieversorgungsnetzt genutzt werden, das für die Einspeicherung verwendet wird, oder ein anderes Energieversorgungsnetz oder sonstige elektrische Verbraucher.
Der erste Energiewandler kann z.B. derart realisiert sein, dass er hinsichtlich der elektrischen Seite eine elektrische Maschine hat, durch die mittels der elektrischen Energie eine hydraulische Fördereinrichtung, mit der das Hydraulikmedium gefördert werden kann, angetrieben wird. Die elektrische Maschine kann z.B. als Elektromotor ausgebildet sein, z.B. als Synchronmaschine oder Reluktanzmotor. Die hydraulische Fördereinrichtung kann beispielsweise als Hydraulikpumpe ausgebildet sein. Vorteilhaft ist z.B. die Ausbildung der hydraulischen Fördereinrichtung als Axialkolbenmaschine, was zu einem hohen Wirkungsgrad der Umwandlung der mechanischen Energie in hydraulische Energie führt. Zudem erlaubt eine Axialkolbenmaschine auch die umgekehrte Umwandlung mit hohem Wirkungsgrad, d.h. die Umwandlung der hydraulischen Energie in mechanische Energie. Der erste Energiewandler kann auch mehrere parallel wirkende elektrische Maschinen und/oder mehrere parallel wirkende hydraulische Fördereinrichtungen haben.
Der zweite Energiewandler kann z.B. als Zylinder mit darin beweglichem Kolben oder Anordnung mehrerer Zylinder mit jeweiligen beweglichen Kolben ausgebildet sein. Der zweite Energiewandler kann auch mehrere solcher Anordnungen haben, auch gemischt, die parallel geschaltet sind.
Die Druckgas-Speichereinheit kann durch einen oder mehrere parallel geschaltete gasdichte Behälter gebildet sein.
Die Ausspeicherung elektrischer Energie aus dem Energiespeichersystem erfolgt durch Rückumwandeln der in der Druckgas-Speichereinheit gespeicherten Gasdruck-Energie durch einen Dekompressionsvorgang in elektrische Energie. Die Ausspeicherung kann ähnlich wie die Einspeicherung zweistufig erfolgen, d.h. über das zwischengeschaltete Hydraulikmedium, oder alternativ auch direkt durch einen Energiewandler, der zur Umwandlung von Gasdruck-Energie in elektrische Energie ausgebildet ist. Ein solcher Energiewandler kann z.B. als Gasturbine ausgebildet sein, durch die ein elektrischer Generator angetrieben wird. Erfolgt die Ausspeicherung analog zur Einspeicherung, d.h. unter Nutzung zwischengeschalteten Hydraulikmediums, so kann hierfür der zweite Energiewandler genutzt werden, wenn er bidirektional betreibbar ist. Ebenso kann der erste Energiewandler hierbei genutzt werden, wenn er bidirektional betreibbar ist. Alternativ kann ein weiterer zweiter Energiewandler für die Umwandlung der Gasdruck-Energie in hydraulische Energie bei der Ausspeicherung genutzt werden. Als Alternative zum ersten Energiewandler kann ein weiterer erster Energiewandler für die Umwandlung der hydraulischen Energie in elektrische Energie beim Ausspeichern genutzt werden. Beispielsweise kann für die Ausspeicherung eine Pelton-Turbine mit einem verbundenen elektrischen Generator genutzt werden.
Das Energiespeichersystem kann als offenes oder geschlossenes System ausgebildet sein. Ein geschlossenes System ist dadurch gekennzeichnet, dass keine Verbindung des Druckgas-Kreises mit der umgebenden Atmosphäre vorhanden ist. In diesem Fall ist es vorteilhaft, ein anderes Druckgas als Luft einzusetzen, z.B. Stickstoff. Selbstverständlich ist es auch möglich, ein geschlossenes System mit Luft als Druckgas zu betreiben. Bei einem offenen System ist eine über wenigstens ein Ventil schließbare Verbindung des Druckgas-Kreises mit der umgebenden Atmosphäre vorhanden. Durch diese Verbindung kann je nach Bedarf Luft aus der Atmosphäre in das Energiespeichersystem aufgenommen werden oder wieder in die Atmosphäre abgegeben werden.
Vorteilhafterweise kann gemäß Merkmal e) wenigstens ein Teil des zweiten Energiewandlers und/oder der Druckgas-Speichereinheit ein Phasenwechselspeichermedium aufweisen, in dem Kompressionswärme speicherbar ist. Ein solches Phasenwechselspeichermedium kann große Mengen von Wärme speichern und bei Bedarf wieder abgeben. Die hierfür erforderlichen Materialien können einfach und kostengünstig bereitgestellt werden, wobei z.B. Paraffin, Wasser oder Salzhydrate als Phasenwechselspeichermedium eingesetzt werden können. Durch die Nutzung eines solchen Phasenwechselspeichermediums kann das Energiespeichersystem sehr effizient und ohne die bei bekannten Druckgas-Kraftwerken auftretenden Temperaturprobleme betrieben werden. Dabei kann auf ein zusätzliches Kühlmedium, wie z.B. einen Kühlwasserkreislauf oder einen sonstigen Wärmetauscher, im Bereich des zweiten Energiewandlers und/oder der Druckgas-Speichereinheit verzichtet werden.
Hierdurch kann das Energiespeichersystem besonders einfach aufgebaut sein.
Das Phasenwechselspeichermedium, auch PCM (phase change material) genannt, hat die Eigenschaft, dass die Kompressionswärme zunächst eine Temperaturerhöhung des PCM bewirkt, bis zu dem Schmelzpunkt des PCM. Darüber hinaus anfallende Kompressionswärme führt zu einer Verflüssigung des PCM und nicht mehr direkt zu einer Temperaturerhöhung der Komponenten (real flacht der Temperaturanstieg abhängig von der Wärmeaustauschdynamik (Wärmeübergangsfläche) ab). Dieser Vorgang ist reversibel. Die im PCM gespeicherte Wärme kann wieder abgegeben werden, wobei das PCM unterhalb des Schmelzpunkts wieder erstarrt.
Durch die Wärmeisolationsschicht, wie im Merkmal f) angegeben, kann der Kolbenraum bewegliche Trennkolben wesentlich besser wärmeisoliert gestaltet werden, sodass der unerwünschte Wärmeübergang zwischen dem Druckgas und dem Hydraulikmedium im Vergleich zu einer Gestaltung des Trennkolbens ohne Wärmeisolationsschicht deutlich vermindert werden kann. Der Trennkolben kann z.B. aus einem Basismaterial wie Stahl hergestellt sein, was naturgemäß eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit hat. Durch die Wärmeisolationsschicht, die z.B. als Kunststoffschicht auf einer oder beiden Oberflächenseiten des Trennkolbens angeordnet sein kann, kann dieser unerwünschte Wärmeübergang deutlich vermindert werden.
Durch die Gestaltung des zweiten Energiewandlers mit voneinander separierten Hydraulik- und Pneumatik-Zylindern, wie im Merkmal g) angegeben, kann ebenfalls eine gute thermische Entkopplung zwischen dem Druckgas und dem Hydraulikmedium geschaffen werden. Hierzu kann z.B. der Pneumatikzylinder vom Hydraulikzylinder thermisch entkoppelt sein, z.B. durch eine dazwischen angeordnete Wäremisolati- onsschicht. Bei dieser Gestaltung hat jeder der Zylinder, d. h. der Hydraulikzylinder und der dem Hydraulikzylinder zugeordnete Problematikzylinder, einen eigenen Kolbenraum mit darin beweglich angeordnetem Kolben.
Außerdem wird durch diese Gestaltung sichergestellt, dass der in der Außenluft vorhandene und durch die Kompression äußerst reaktionsfreudige Sauerstoff in keinem Fall mit dem Hydraulikmedium, z.B. Öl, in Kontakt geraten kann. Dieser ist ein wichti- ger Sicherheits-Aspekt. Öl kann mit Sauerstoff und Hochdruck und Wärme explosionsartig reagieren. Würden bei diesem Konzept normale Kolbenspeicher zum Einsatz kommen, könnten Öl-Leckagen der Kolbendichtung in Verbindung mit dem Luftsauerstoff gefährlich werden. Außer diesem Sicherheitsaspekt altert das Öl auch unter der Anwesenheit von Sauerstoff schneller, was eine höhere Wartungsintensität und/oder eine kürzere Lebensdauer zufolge hat.
Zudem werden unerwünschte Verunreinigungseffekte des Druckgases durch gegebenenfalls hindurchtretende Spuren von Hydraulikmedium minimiert. Der Hydraulikzylinder und der Pneumatik-Zylinder können beispielsweise jeweils eine Kolbenstange haben, über die sie mechanisch miteinander gekoppelt sind. Die mechanische Kopplung der Kolbenstangen kann über ein Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit oder eine Anordnung mit geringer Wärmeleitfähigkeit erfolgen.
Der Hydraulikzylinder kann mit dem ihm zugeordneten Pneumatikzylinder unmittelbar gekoppelt sein, z.B. indem die Zylinder direkt aneinander geflanscht oder auf sonstige Weise miteinander verbunden sind. Der Hydraulikzylinder kann auch von dem ihm zugeordneten Pneumatikzylinder beabstandet angeordnet sein, d.h. nicht unmittelbar baulich mit seinem Gehäuse am Gehäuse des Pneumatikzylinders befestigt sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Hydraulikzylinder einen Kolbenraum hat, der durch einen im Kolbenraum beweglich gelagerten Kolben in zwei voneinander getrennte Kammern unterteilt ist, wobei die eine Kammer mit dem Hydraulikmedium befüllbar ist und die zweite Kammer mit einem inerten Gas befüllbar ist, wobei das Energiespeichersystem einen Vorratsspeicher für inertes Gas haben kann, der mit der zweiten Kammer verbunden oder verbindbar ist. Auf diese Weise kann eine zusätzliche Trennung zwischen dem Hydraulikmedium im Hydraulikzylinder und dem Druckgas im Pneumatikzylinder geschaffen werden, um aus Sicherheitsgründen reaktionsfreudige Zustände zu vermeiden, die bei Sauerstoffanteilen im Druckgas auftreten können. Dies ist insbesondere vorteilhaft bei einer direkten mechanischen Kopplung des Gehäuses des Pneumatikzylinders mit dem Gehäuse des Hydraulikzylinders. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Pneumatikzylinder einen Kolbenraum hat, der durch einen im Kolbenraum beweglich gelagerten Kolben in zwei voneinander getrennte Kammern unterteilt ist, wobei eine Kammer mit dem Druckgas befüllbar ist und die zweite Kammer mit einer nicht brennbaren Flüssigkeit befüllbar ist, wobei das Energiespeichersystem einen Vorratsspeicher mit der nicht brennbaren Flüssigkeit haben kann, der mit der zweiten Kammer des Pneumatikzylinders verbunden oder verbindbar ist. Auf diese Weise kann eine zusätzliche Trennung zwischen dem Hydraulikmedium im Hydraulikzylinder und dem Druckgas im Pneumatikzylinder geschaffen werden, um aus Sicherheitsgründen reaktionsfreudige Zustände vermeiden, die bei Sauerstoffanteilen im Druckgas auftreten können. Dies ist insbesondere vorteilhaft bei einer direkten mechanischen Kopplung des Gehäuses des Pneumatikzylinders mit dem Gehäuse des Hydraulikzylinders. Auch hierdurch kann ein explosives Gemisch vermieden werden.
Auf diese Weise können insbesondere die Anforderungen der Druckgeräterichtlinie zuverlässig und mit geringem Aufwand erfüllt werden. Das inerte Gas kann z.B. Stickstoff sein. Die nicht brennbare Flüssigkeit kann Wasser sein. Bei dieser Kombination kann z.B. als Hydraulikmedium Öl verwendet werden, und als Druckgas Luft aus der Umgebung.
Durch eine solche Beschickung der jeweiligen zweiten Kammer des Hydraulikzylinders und/oder des Pneumatikzylinders kann zudem der Verschleiß des Zylinders minimiert werden. Da in dem Hydraulikzylinder bzw. in dem Pneumatikzylinder jeweils eine Kombination aus einem Gas und einer Flüssigkeit vorhanden ist, werden die Kolbendichtungen geschont und ein Trockenlauf vermieden. Zudem können die Kolbendichtungen durch den Gegendruck stabilisiert werden, wodurch insgesamt weniger Hydraulikflüssigkeit aus dem Hydraulikzylinder und Druckgas aus dem Pneumatikzylinder ungewollt auf die jeweils andere Kolbenseite gelangt. Durch diese Anor- dung wird also die Effizienz und die Langlebigkeit des Energiespeichers erhöht.
Der zweite Energiewandler kann die Zwangsrückstellung der Kolben mit Hilfe von zyklenartigem hin- und herbefördern von inerten Gasen und nicht brennbaren Flüssigkeiten realisieren. Der zweite Energiewandler kann die Vermeidung einer Ansammlung von brennbaren Gasgemischen, zum Beispiel Luft-Sauerstoff in Kontakt mit Hydraulikflüssigkeiten, mit Hilfe einer mit einem inerten Gas gefüllten Kammer und/oder mit Hilfe einer mit einer nicht brennbaren Flüssigkeit gefüllten Kammer innerhalb des Kolbenspeichers oder Doppelkolbenspeichers realisieren.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die wirksame Querschnittsfläche des Kolbens des Hydraulikzylinders größer oder kleiner als die wirksame Querschnittsfläche des dem Hydraulikzylinder zugeordneten Pneumatikzylinders. Auf diese Weise kann mit geringem Aufwand eine hydraulisch-pneumatische Druckübersetzung realisiert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kompression des Druckgases beim Einspeichern elektrischer Energie in das Energiespeichersystem mittels eines mehrstufigen Prozesses erfolgt, wobei wenigstens die erste Stufe der Kompression durch eine mit dem Druckgas-Kreis des zweiten Energiewandlers verbundene oder verbindbare Kompressionsmaschine erfolgt. Die Kompressionsmaschine kann z.B. Kompressor oder als invers betriebene Gas- oder Druckluftturbine ausgebildet sein. Die Kompressionsmaschine kann als zusätzliches Bauteil des Energiespeichersystems vorhanden sein. Dies hat den Vorteil, dass immer dann, wenn ein Bedarf an der Zuführung zusätzlichen Druckgases in den Druckgas-Kreis des Energiespeichersystems von außen erforderlich ist, dieses Druckgas bereits vorkomprimiert eingespeichert werden kann. Auf diese Weise kann die Effizienz des Energiespeichersystems weiter erhöht werden. Beispielsweise kann durch den Kompressor Luft aus der Atmosphäre angesaugt werden und als vorkomprimierte Luft in den Druckgas-Kreis des zweiten Energiewandlers eingespeist werden. Durch die Kompressionsmaschine kann das Druckgas beispielsweise schon auf einen Druck im Bereich von 40 bis 80 bar vorkomprimiert werden, wenn es dem zweiten Energiewandler zugeführt wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Expansion des Druckgases beim Ausspeichern elektrischer Energie aus dem Energiespeichersystem mittels eines mehrstufigen Prozesses erfolgt, wobei wenigstens die letzte Stufe der Expansion durch eine mit dem Druckgas-Kreis des zweiten Energiewandlers verbundene oder verbindbare Expansionsmaschine erfolgt. Die Expansionsmaschine kann z.B. als Gas- oder Druckluftturbine oder als invers betriebener Kompressor ausgebildet sein. Auch hierdurch kann die Effizienz des Energiespeichersystems weiter gesteigert werden. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Druckgas-Speichereinheit einen Wärmetauscher aufweist, durch den dem Wärmetauscher extern zugeführte Abwärme oder die während der Beladung eingespeicherte Kompressionswärme dem komprimierten Druckgas zuführbar ist. Durch den Wärmetauscher der Druckgas-Speichereinheit kann dem Druckgas weitere Energie zugeführt werden, wobei vorteilhafterweise Energie genutzt werden kann, die sozusagen als Abfallprodukt beispielsweise bei industriellen Herstellungsprozessen entsteht (sogenannte Abwärme). Zusätzlich können auch andere Energiequellen, die Wärme bereitstellen, genutzt werden, z.B. Sonnenkollektoren, die mit dem Wärmetauscher ebenfalls verbunden werden. Hierdurch kann die Effizienz des Energiespeichersystems weiter gesteigert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest ein Teil des Phasenwechselspeichermediums an einer Außenseite wenigstens eines Teils des zweiten Energiewandlers und/oder der Druckgas-Speichereinheit angeordnet ist, an der Kühlrippen und/oder sonstige Kühlstrukturen angeordnet sind. Hierdurch kann der Wärmeübergang vom mit der Kompressionswärme beaufschlagten Druckgas in das Phasenwechselspeichermedium optimiert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kühlrippen und/oder sonstige Kühlstrukturen mit einer wärmeisolierenden Materialschicht abgedeckt sind und das Phasenwechselspeichermedium in den zwischen der wärmeisolierenden Materialschicht, den Kühlrippen und/oder sonstige Kühlstrukturen und der Außenseite wenigstens eines Teils des zweiten Energiewandlers und/oder der Druckgas-Speichereinheit verbleibenden Hohlräumen angeordnet ist. Hierdurch kann das Phasenwechselspeichermedium gegenüber der Atmosphäre wenigstens teilweise mit der wärmeisolierenden Materialschicht getrennt sein. Die wärmeisolierende Materialschicht kann z.B. eine Kunststoffschicht sein, z.B. eine Kunststofffolie. Dies erlaubt eine einfache und kostengünstige Herstellung der entsprechenden Teile des zweiten Energiewandlers und/oder der Druckgas-Speichereinheit. Beispielsweise können für die Herstellung der Druckgas-Speichereinheit konventionelle, im Handel erhältliche Speicherbehälter verwendet werden, die an der Außenseite mit Kühlrippen und/oder sonstige Kühlstrukturen bestückt werden. Die mit Kühlrippen und/oder sonstige Kühlstrukturen bestückten Speicherbehälter können dann mit einer wärmeisolierenden Materialschicht umgeben werden, z.B. indem sie in einem Beutel aus Kunststofffolie angeordnet werden. Daraufhin wird das Phasenwechselspeichermedium in flüssiger Form in den Zwischenraum zwischen der wärmeisolierenden Materialschicht, den Kühlrippen und der Außenseite eingefüllt. Anschließend kann die auf diese Weise gebildete Anordnung noch mit einem zusätzlichen Wärmeisolationsmaterial an der Außenseite umgeben werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die in dem Phasenwechselspeichermedium gespeicherte Kompressionswärme dem Druckgas bei der Expansion des Druckgases und/oder bei der Ausspeicherung aus der Druckgas-Speichereinheit wieder zuführbar ist. Dies hat den Vorteil, dass ein reversibler Prozess bereitgestellt wird, bei dem die gespeicherte Kompressionswärme wieder genutzt werden kann, um den beim Dekomprimieren des Druckgases auftretenden Temperaturabfall zu kompensieren.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Energiespeichersystem ohne Wärmetauscher im Bereich des zweiten Energiewandlers ausgebildet ist. Dies erlaubt einen einfachen und kostengünstigen Aufbau des Energiespeichersystems. Auf einen solchen Wärmetauscher kann verzichtet werden, weil durch das Phasenwechselspeichermedium ausreichend Speicherkapazität für die Kompressionswärme zur Verfügung gestellt werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Energiewandler als bidirektionaler Energiewandler ausgebildet ist, durch den wahlweise zugeführte elektrische Energie in hydraulische Energie unwandelbar oder hydraulische Energie in aus dem Energiespeichersystem auszuspeichernde elektrische Energie unwandelbar ist. Dies hat den Vorteil, dass kein weiterer erster Energiewandler für den Ausspeichervorgang erforderlich ist. Auf diese Weise kann das Energiespeichersystem relativ kompakt und kostengünstig realisiert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der zweite Energiewandler als bidirektionaler Energiewandler ausgebildet ist, durch den wahlweise zugeführte hydraulische Energie in Gasdruck-Energie unwandelbar oder aus der Druckgas-Speichereinheit auszuspeichernde Gasdruck-Energie in hydraulische Energie unwandelbar ist. Dies hat den Vorteil, dass kein weiterer zweiter Energiewandler für den Ausspeichervorgang erforderlich ist. Auf diese Weise kann das Energiespeichersystem relativ kompakt und kostengünstig realisiert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der zweite Energiewandler mit einem Hydraulik-System verbunden ist, das einen Tank hat, in dem ein Vorrat an Hydraulikmedium gespeichert ist. Durch einen solchen Tank steht immer eine ausreichende Menge an Hydraulikmedium zur Verfügung, wenn elektrische Energie eingespeichert oder ausgespeichert werden soll. Durch den Tank können z.B. die volumetrischen Verluste des Hydromotors sowie sämtliche andere Leckageströme kompensiert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Tank über eine Hydraulikpumpe und einen Filter hydraulisch mit dem zweiten Energiewandler gekoppelt ist. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass dem zweiten Energiewandler immer sauberes Hydraulikmedium zugeführt wird. Auf diese Weise kann eine hohe Lebensdauer des Energiespeichersystems erreicht werden.
Setzt man z.B. einen Tank mit PCM an der Außenwand, eine Vorpumpe und ein Filtersystem ein, weist das System insgesamt keine Ölverluste auf und das Öl wird automatisch im Betrieb gereinigt. Das hat geringere Wartungsintensität und/oder eine erhöhte Lebensdauer der Komponenten zufolge.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass um den Tank herum und/oder im Bereich des ersten Energiewandlers ein Phasenwechselspeichermedium angeordnet ist. Auf diese Weise können unnötige Wirkungsgradverluste vermieden werden. Durch das Phasenwechselspeichermedium kann das Hydraulikmedium stets auf einer optimalen Arbeitstemperatur gehalten werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der zweite Energiewandler als Einhub-System ausgebildet ist, bei dem die maximale Einspeicherkapazität durch das verfügbare Aufnahmevolumen des zweiten Energiewandlers für das Hydraulikmedium begrenzt ist. Auf diese Weise kann ein besonders einfacher und kostengünstiger Aufbau des Energiespeichersystems erreicht werden, wobei sich das Energiespeichersystem insbesondere für die Realisierung eines Leistungskonzepts eignet, d.h. es kann sowohl mit hoher Leistung Energie eingespeichert als auch mit hoher Leistung Energie ausgespeichert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der zweite Energiewandler als zyklisch betriebenes Wechselhub-System ausgebildet ist, bei dem zumindest bei der Einspeicherung elektrischer Energie in das Energiespeichersystem das Hydraulikmedium zyklisch zwischen einem ersten und einem zweiten Kolbenspeicher des zweiten Energiewandlers hin- und her gefördert wird. Dies hat den Vorteil, dass sehr große Energiemengen gespeichert werden können. Zudem ist weniger Hydraulik- und Pneumatikzylinder-Volumen, weniger Hydraulikmedium und weniger Tank-Volumen notwendig. Ein solches Energiespeichersystem eignet sich besonders zur Realisierung eines Energiespeichersystems mit hoher Kapazität.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mehrere oder alle Komponenten des Energiespeichersystems in einem Gehäuse untergebracht sind, das einem Frachtcontainer gemäß ISO 668 entspricht, insbesondere einem 20-Fuß- oder 40-Fuß-Frachtcontainer. Dies hat den Vorteil, dass das Energiespeichersystem in einer für den Anwender gut handhabbaren Weise bereitgestellt wird. So ist insbesondere der Transport des Energiespeichersystems zum Einsatzort oder zu wechselnden Einsatzorten besonders einfach möglich, weil verfügbare Transportkapazitäten von konventionellen Nutzfahrzeugen benutzt werden können. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass als Gehäuse direkt ein im Handel erhältlicher Frachtcontainer genutzt werden kann, sodass kostengünstige und robuste Gehäuse für die Realisierung des Energiespeichersystems zur Verfügung stehen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der erste Energiewandler einen Hydromotor mit verstellbarem Hubraum auf. Dies hat den Vorteil, dass beim ersten Energiewandler eine besonders vorteilhafte Drehzahlregelung und/oder Leistungsregelung durch Hubraum-Verstellung des Hydromotors realisiert werden kann.. Ein vorteilhaftes Verfahren zur Ein- und Ausspeicherung elektrischer Energie mittels eines Energiespeichersystems der zuvor genannten Art, z.B. eines Energiespeichersystems mit den Merkmalen a), b), c) und d), umfasst die folgenden Verfahrensschritte: i) Einspeicherung elektrischer Energie in das Energiespeichersystem durch Umwandeln der elektrischen Energie über den ersten Energiewandler in hydraulische Energie und der hydraulischen Energie über den zweiten Energiewandler in Gasdruck-Energie und Speichern der Gasdruck-Energie in Form komprimierten Druckgases in der Druckgas-Speichereinheit, j) Ausspeicherung elektrischer Energie aus dem Energiespeichersystem durch Dekomprimieren von in der Druckgas-Speichereinheit gespeichertem komprimierten Druckgas und Erzeugen hydraulischer Energie daraus über den zweiten Energiewandler oder einen weiteren zweiten Energiewandler, und Umwandeln der hydraulischen Energie über den ersten Energiewandler oder einen weiteren ersten Energiewandler in elektrische Energie und abgeben der elektrischen Energie an das elektrische Energieversorgungsnetz oder einen sonstigen elektrischen Verbraucher.
Auch hierdurch können die zuvor erläuterten Vorteile realisiert werden.
Dabei kann als zusätzlicher Verfahrensschritt vorhanden sein: Halten der elektrischen Energie im Energiespeichersystem durch Halten des Druckniveaus innerhalb der Druckgas-Speichereinheit und mindestens zu einem Teil auch in Schmelzenergie innerhalb des Phasenwechselspeichermaterials und mindestens zu einem Teil auch in Form von stoffgebundener, sensibler Wärmeenergie.
Das Verfahren kann einen, mehrere oder alle der folgenden Verfahrensschritte k), I), m) haben: k) dem Energiespeichersystem wird als weiterer Energieträger Wärmeenergie in Form industrieller Abwärme und/oder Wärme aus Sonnenkollektoren zugeführt, wobei im Energiespeichersystem durch die Wärmeenergie das in der Druckgas- Speichereinheit befindliche Druckgas erwärmt wird, l) der Druckgas-Kreis des zweiten Energiewandlers ist über wenigstens ein Ventil mit der umgebenden Atmosphäre verbindbar, wobei bei der Ausspeicherung elektrischer Energie aus dem Energiespeichersystem das Ventil zyklisch geöffnet und geschlossen wird, wobei das Ventil in einem jeweiligen Zyklus geschlossen wird, bevor in ein bestimmter Druckwert des Gasdrucks im Druckgas-Kreis des zweiten Energiewandlers erreicht ist, der oberhalb des Atmosphärendrucks liegt, m) die Druckgas-Speichereinheit ist über wenigstens ein Ventil mit dem Druckgas- Kreis des zweiten Energiewandlers verbindbar, wobei mit wenigstens einem Rückschlagventil und/oder einem Wegeventil die Druckgasleitung zyklisch geöffnet oder geschlossen wird, wobei das Rückschlagventil und/oder Wegeventil in einem jeweiligen Zyklus geöffnet oder geschlossen wird, bevor in ein bestimmter Druckwert des Gasdrucks im Druckgas-Kreis des zweiten Energiewandlers erreicht ist, der oberhalb des Atmosphärendrucks liegt, n) der erste Energiewandler weist einen Hydromotor mit verstellbarem Hubraum auf, wobei eine Drehzahlregelung und/oder eine Leistungsregelung des Hydromotors durch Hubraum-Verstellung des Hydromotors durchgeführt wird.
Gemäß Merkmal k) kann somit ein weiterer Energieträger für die Optimierung der Effizienz des Energiespeichersystems genutzt werden. Der hierfür erforderliche Aufwand ist relativ gering, da im Energiespeichersystem lediglich an geeigneter Stelle, z.B. in der Druckgas-Speichereinheit, ein entsprechender Wärmetauscher zur Aufnahme der Wärmeenergie erforderlich ist.
Gemäß Merkmal I) kann die Effizienz des Energiespeichersystems durch eine innovative Steuerung des wenigstens einen Ventils während der Ausspeicherung optimiert werden. Hierdurch werden unnötige Druckverluste im Druckgas-Kreis vermieden. So kann z.B. das Ventil am Anfang eines jeweiligen Zyklus geöffnet und schon vor Beendigung des Zyklus wieder geschlossen werden. Als Schließbedingung kann z.B. geprüft werden, ob das Produkt aus Druck und Volumen im Pneumatik-Zylinder einen bestimmten Wert erreicht. Der Wert richtet sich nach dem Nennvolumen des Pneumatik-Zylinders und dem minimalen erforderlichen Differenz-Druck des Hydraulikmotors, z.B. 40 bar. Dementsprechend schließt das wenigstens eine Ventil exakt derart, dass am Ende des Zyklus, wenn der Pneumatik-Kolben seinen Endpunkt erreicht hat, der Minimaldruck für den Hydraulikmotor anliegt. Weil der Pneumatik-Zylinder im nächsten Zyklus wieder mit der Atmosphäre verbunden wird, geht auch nur dieser Minimaldruck verloren bzw. es geht im Vergleich zum späteren Schalten eine geringere Luftmasse verloren. Ist zusätzlich für die Ausspeicherung ein zweistufiger Prozess vorgesehen, kann der Enddruck bzw. die verbleibende Luftmasse über eine Druckluftturbine entspannt werden und geht nicht verloren. Durch diese Ventilschaltung kann exakt der Maximaldruck einer handelsüblichen Druckluftturbine eingestellt werden.
Gemäß Merkmal n) kann eine besonders effiziente und verlustarme Drehzahlregelung des Hydromotors realisiert werden, was ebenfalls der Betriebseffizienz des Energiespeichersystems zugutekommt.
Das Energiespeichersystem kann eine Steuereinheit aufweisen, beispielsweise eine mit einem Rechner gesteuerte Steuereinheit, durch die die einzelnen Komponenten gesteuert werden. Insbesondere können durch die Steuereinheit auch die erforderlichen Ventile im Druckgas-Kreis und/oder im Hydraulik-Kreis gesteuert werden.
Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln, eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens der zuvor erläuterten Art, wenn das Computerprogramm auf einem Rechner einer Steuereinheit des Energiespeichersystems ausgeführt wird. Durch das Computerprogramm können zumindest die Steuerfunktionen zur Steuerung des Energiespeichersystems durchgeführt werden, die zuvor erläuterten Verfahrensschritte durchzuführen.
Durch das Computerprogramm können zudem eine, mehrere oder alle der folgenden Funktionen realisiert werden: a) digitale oder analoge Messungen, Abspeicherung und Verarbeitung von mindestens einer der Parameter Temperatur, Druck, Volumenstrom und Massenstrom innerhalb des elektrischen Energiespeichersystems, b) Steuerung der Ventile für die Durchführung eines mehrstufigen Kompressionsund Expansions-Prozesses innerhalb des elektrischen Energiespeichersystems, c) Regelung der Drehzahl und/oder Stellung des Hubraumes des Hydraulikmotors des ersten Energiewandlers für die Optimierung der Energiewandlungs-Effizienz und eines langlebigen Betriebes während der Beladung und/oder während der Entladung des elektrischen Energiespeichersystems, d) Realisierung der Betriebsüberwachung und der Wartung des elektrischen Energiespeichersystems, wobei mindestens ein Teil unter Zunahme von maschinellem Lernen zum Zwecke der Vorhersagbarkeit mindestens eines Störfalles und/oder Nutzungsausfalles erfolgen kann, e) Bereitstellung eines digitalen Kommunikationskanals bzw. einer Schnittstelle für die Einbindung des elektrischen Energiespeichersystems für die Einbindung in ein virtuelles Kraftwerk und/oder in einem Verbund aus Energiespeichern nach einem Schwarm-Konzept, f) Automatische Erstellung und Übersendungen von Abrechnungen für Betreiber und/oder Nutzer des elektrischen Energiespeichersystems, mindestens basierend auf energiewirtschaftlichen Kenngrößen oder Kunden- bzw. Betreiberdaten im Rahmen eines mit dem Energiespeichersystem anwendbaren Energy-Storage-as-a-ser- vice Geschäftsmodell.
Zusammengefasst können mit der Erfindung folgende Vorteile erzielt werden:
1. Verwendung PCM und Kühlstrukturen an der Außenwand der Gasflaschen der Druckgas-Speichereinheit, der Kolbenzylinder und/oder des Tanks
— Ersetzt jegliche Wärmetauscher in der Druckgas-Speichereinheit, Verbesserung des Wirkungsgrades und Reduzierung der Kosten für die Wärmerückgewinnung
2. Möglichkeit zur Nutzung der industriellen Abwärme und/oder Wärme aus Sonnenkollektoren durch Wasser-Kreisläufe angeordnet an der Außenwand der Gasflaschen — Nutzung der Abwärme für Energie-Ausspeicherung und Ausgleich der Selbstentladung des Energiespeichers, erhöhte Rentabilität des Systems
3. Kombination von Hydraulik-Zylinder und Pneumatik-Zylinder für die Hydraulik-Gas- Druckübertragung
— Erhöhte Sicherheit, geringere Wartungsintensität, höhere Lebensdauer, höherer Wirkungsgrad, realisierbare Druckübersetzung
4. Aufträgen einer Isolierungsschicht (fester temperaturbeständiger Kunststoff) an der Unterseite des Kolbens verhindert Gas-Öl-Wärmeübergang
— Erhöhung des Wirkungsgrades 5. Im Regelkonzept kann über die Hubraum-Verstellung des Hydromotors die Drehzahlregelung und/oder Leistungsregelung realisiert werden, die sicherstellt, dass der Hydromotor und der Generator stets im optimalen Arbeitspunkt gefahren werden.
— Verringerung der Reaktionszeit (Zeit bis zum Erreichen der Nennleistung) und Erhöhung des Wirkungsgrades
Soweit der Begriff „Pneumatik“ oder „pneumatisch“ verwendet wird, bezieht sich dies nicht ausschließlich auf Luft als verwendetes Gas, sondern schließt Gase jeder Art mit ein. Wenn der Begriff Pneumatikzylinder verwendet wird, schließt das auch Kolbenzylinder ein, die in einem Kolbenraum eine nicht brennbare Flüssigkeit enthalten.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen
Figur 1 ein Energiespeichersystem in einer ersten Ausführungsform,
Figur 2 einen zweiten Energiewandler in einer ersten Ausführungsform, Figur 3 einen Tank,
Figur 4 ein Energiespeichersystem in einer zweiten Ausführungsform, Figur 5 einen zweiten Energiewandler in einer zweiten Ausführungsform, Figur 6 eine Druckgas-Speichereinheit in einer ersten Ausführungsform, Figur 7 eine Druckgas-Speichereinheit in einer zweiten Ausführungsform, Figur 8 ein Energiespeichersystem in einer dritten Ausführungsform, Figur 9 einen zweiten Energiewandler in einer dritten Ausführungsform.
Das in Figur 1 dargestellte Energiespeichersystem ist als geschlossenes System ausgebildet. Das Energiespeichersystem weist eine elektrische Anschlusseinheit zum Anschluss des Energiespeichersystems an ein elektrisches Energieversorgungsnetz L.O auf, z.B. an ein Dreiphasennetz. Die elektrische Anschlusseinheit weist einen Transformator L.1 und einen Frequenzumrichter L.5, L.7 auf. Der Frequenzumrichter L.5, L.7 ist mit einer elektrischen Maschine L.8 verbunden, die über eine Kupplung L.9 mit einer verstellbaren Axialkolbenmaschine L.10 verbunden ist. Die elektrische Maschine L.8 und die Axialkolbenmaschine L.10 bilden zusammen mit der Kupplung L.9 einen ersten Energiewandler des Energiespeichersystems. Die Axialkolbenmaschine L.10 ist hydraulisch mit einem Hydraulik-Kreislauf verbunden, in dem ein erstes Ventil L.6, ein zweites Ventil L.11 , ein Tank L.15, eine Vorpumpe L.14, die über einen Motor L.13 angetrieben werden kann, und ein Filter L.12 angeordnet ist. Im Hydraulik-Kreislauf kann ein Hydraulikmedium verwendet werden, z.B. Öl. Das erste Ventil L.6 kann als 3/3-Wegeventil ausgebildet sein, das zweite Ventil L.11 als 2/2-Wegeventil. Das erste Ventil kann auch anders ausgebildet sein, z.B. als Kombination mehrerer 3/2-Wegeventile oder 2/2-Wegeventile. Das erste Ventil L.6 ist mit einem oder mehreren parallel geschalteten Kolbenspeichern L.3a- L.3d verbunden. Die Kolbenspeicher L.3a-L.3d bilden einen zweiten Energiewandler für die Energiewandlung Hydraulikmedium/Druckgas. Die Kolbenspeicher L.3a-L.3d sind über Druckgas-Leitungen mit einer Druckgas-Speichereinheit L.2a-L2.d verbunden. Die Druckgas-Speichereinheit L.2a-L.2d kann mehrere parallel geschaltete Speicherbehälter, z.B. Gasflaschen, haben.
Bei der Energie-Einspeicherung kann elektrische Überschussenergie über den Transformator L.1 und den Frequenzumrichter L.5, L.7 für den Antrieb der elektrischen Maschine L.8 genutzt werden, die mit der verstellbaren Axialkolbenmaschine L.10 über die Kupplung L.9 verbunden ist. Diese wandelt die mechanische Leistung in hydraulische Leistung um und pumpt das Arbeitsfluid, z.B. Hydraulik-Öl, aus dem Tank L.15 über das 3-3-Wege Ventil L.6 Stellung 3 in ein oder mehrere parallel geschaltete Kolbenspeicher L. 3a-3d. Die Vorpumpe L.14 mit dem zugehörigen, elektrischen Motor L.13 sorgt für einen Vordruck am Eingang der Axialkolbenmaschine L.10 auch bei Druckverlust des Filters L.12. Die Pumparbeit der Axialkolbenmaschine L.10 führt in den Kolbenspeichern L.3a-3d zu einer Verschiebung des Kolbens „nach oben“, also zu einer Verkleinerung des Gasvolumens, woraufhin das Gas in den Gasflaschen L.2a-2d komprimiert wird und seinen Druck erhöht wird. Bei der Ausspeicherung wird das 3-3-Wege-Ventil L.6 in die Stellung 1 gebracht, sodass die gleiche Drehrichtung der Axialkolbenmaschine L.10 bei der Ausspeicherung und der Einspeicherung realisiert wird. Die Axialkolbenmaschine L.10 entspannt das unter dem Gasdruck stehende Öl und treibt dabei die elektrische Maschine L.8 an. Das Öl wird über das Absperrventil L.11 Stellung 2 zurück in den Tank L.15 geführt. Als Gas kann reiner Stickstoff verwendet werden. Die Figur 2 zeigt den erfindungsgemäß modifizierten Kolbenspeicher L3a-3d. Um einen handelsüblichen Kolbenspeicher E.10 wird ein Kühlrippen-Gestell E.5 aus Aluminium (alternativ Kupfer, Keramiken) befestigt. Es erhöht die Wärmeübergangsfläche zum Phasenwechselspeichermatenal E.6 (PCM, phase change material) und damit die Wärme-Austauschdynamik, die zu einem geringeren Temperatur-Anstieg der Gasseite des Kolbenspeichers führt. Das Kühlrippen-Gestell E.5 wird mit einer dünnen Kunststoffschicht umgeben und das PCM in die verbleibenden Hohlräume gegeben. Um die Kunststoffschicht wird eine z.B. wenige Zentimeter dicke Wärmeisolation E.7 z.B. aus Schaumstoff, Styropor realisiert. Zusätzlich wird die Unterseite des Kolbens mit einer Wärmeisolierschicht E.11 , z.B. fester Kunststoff, versehen, um den Wärmeübergang von Öl zum Gas zu minimieren.
Die Wirkung des PCM: Die Kompressionswärme fließt über die Zylinder-Außenwand zu den Kühlrippen und zum PCM und bewirkt zunächst eine Temperaturerhöhung dieser Komponenten und des Gases, bis zu dem Schmelzpunkt des PCM. Darüber hinaus anfallende Kompressionswärme führt zu einer Verflüssigung des PCM und nicht mehr direkt zu einer Temperaturerhöhung der Komponenten (real flacht der Temperaturanstieg abhängig von der Wärmeaustauschdynamik (Wärmeübergangsfläche) ab.
Die Figur 3 zeigt einen modifizierten Tank, z.B. den Tank L.15. Ähnlich wie bei dem Kolbenspeicher L3a-3d kann um den Tank ein Kühlrippen-Gestell E.5 aus Aluminium (alternativ Kupfer, Keramiken) befestigt werden. Das Kühlrippen-Gestell E.5 wird mit einer dünnen Kunststoffschicht umgeben und das PCM in die verbleibenden Hohlräume gegeben. Um die Kunststoffschicht wird eine z.B. wenige Zentimeter dicke Wärmeisolation E.7, z.B. aus Schaumstoff, Styropor, realisiert. Das PCM E.6 mit den Kühlrippen E.5 und der Isolation E.7 um den Tank hält das Öl stets auf optimaler Arbeitstemperatur, da die optimale Arbeitstemperatur des Öls (46 - 52 °C) relativ genau mit der Schmelztemperatur des PCM übereinstimmt.
Das Energiespeichersystem gemäß Figur 1 kann z.B. für die Realisierung eines Leistungskonzepts eingesetzt werden. Die Figur 4 zeigt eine Ausführungsform eines Energiespeichersystems, das sich gut als Kapazitätskonzept eignet. Das Energiespeichersystem gemäß Figur 4 ist als offenes System ausgebildet, das bei Bedarf mit der Atmosphäre verbunden wird. Ein elektrisches Energieversorgungsnetz K.O ist über eine elektrische Anschlusseinheit K.6, K.11 , K.12 mit dem ersten Energiewandler K.14, K.15, K.16, K.17 verbunden. Die elektrische Anschlusseinheit kann vergleichbar wie bei der Ausführungsform der Figur 1 einen Transformator K.6 und einen Frequenzumrichter K.11 , K.12 aufweisen. Der erste Energiewandler kann vergleichbar wie bei der Ausführungsform der Figur 1 eine elektrische Maschine K.14 und als Fördereinrichtung für das Hydraulikmedium eine Axialkolbenpumpe K.17 aufweisen. Die elektrische Maschine K.14 ist über eine Kupplung K.15 und eine Schwungmasse K.16, die mit der Welle der Axialkolbenmaschine K.17 gekoppelt ist, mit dieser Axialkolbenmaschine K.17 verbunden.
Die Axialkolbenmaschine K.17 ist mit einem Hydraulik-Kreislauf verbunden. Der Hydraulik-Kreislauf weist, ähnlich wie bei der Ausführungsform der Figur 1 , einen Tank K.21 , eine Vorpumpe K.22 mit elektrischem Motor K.19 sowie ein Filter K.18 auf. Ferner ist auch hier zur Steuerung des Hydraulikmediums ein erstes Ventil K.13 vorhanden, das in diesem Fall als 4/3-Wegeventil ausgebildet ist. Selbstverständlich kann das erste Ventil K.13 auch durch eine andere Anordnung von Wegeventilen gebildet werden.
Das erste Ventil K.13 dient zur Verbindung des erläuterten Hydraulik-Kreislaufs, insbesondere der Axialkolbenmaschinen K.17, mit einer ersten Hydraulikzylindergruppe K.8a-K.8d und einer zweiten Hydraulikzylindergruppe K.10a-K.10d. Die jeweiligen Hydraulikzylinder der beiden Hydraulikzylindergruppen K.8a-K.8d, K.10a-K.10d sind mechanisch über ihre Kolbenstangen mit jeweiligen Pneumatikzylindern K.7a-K.7d, K.9a-K.9d gekoppelt. Diese Anordnungen aus den Hydraulikzylindern und den Pneu- matikzylindern bilden den zweiten Energiewandler. Durch entsprechende Steuerung des ersten Ventils K.13 kann über die Axialkolbenmaschine K.17 das Hydraulikmedium wechselweise von der ersten Hydraulikzylindergruppe K.8a-K.8d in die zweite Hydraulikzylindergruppe K.10a-K.10d oder in entgegengesetzter Richtung gepumpt werden, d.h. von der zweiten Hydraulikzylindergruppe K.10a-K.10d in die erste Hydraulikzylindergruppe K.8a-K.8d.
Die Druckgas-Anschlüsse der Pneumatikzylinder K.7a-K.7d, K.9a-K.9d sind über
Steuer-Absperrventile K.2, K.3 wahlweise mit der Druckgas-Speichereinheit verbindbar, die in diesem Fall, ähnlich wie bei der Ausführungsform der Figur 1 , durch meh- rere parallel geschaltete Gasflaschen K.1 a-K.1 d gebildet wird. Zudem sind die Druckgas-Anschlüsse der Pneumatikzylinder über Steuer-Absperrventile K.4, K.5 wahlweise über einen Luftfilter K.20 mit einem Atmosphärenanschluss K.21 verbindbar. Der Atmosphärenanschluss K.21 ist mit der umgebenden Luftatmosphäre verbunden.
Wie bei dem Leistungskonzept kann bei der Energie-Einspeicherung elektrische Überschussenergie für den Antrieb der elektrischen Maschine K.14 genutzt werden, die mit der Axialkolbenmaschine K.17 gekoppelt ist. Diese wandelt die mechanische Leistung in hydraulische Leistung um und pumpt das Arbeitsfluid (z.B. Hydraulik-Öl) von einem oder mehreren parallel geschalteten Hydraulik-Zylindern K.8a-8d in die zweite Gruppe eines oder mehrerer parallel geschalteter Hydraulik-Zylinder K.10a- 10d. Jeder Hydraulik-Zylinder ist mit einem Pneumatik-Zylinder K.7a-7d, K.9a-9d starr verbunden.
Durch das Herauspumpen des Arbeitsfluids aus dem zuerst vollen Hydraulik-Zylinder wird in dem mit ihm verbundenen Pneumatik-Zylinder über den Atmosphärenanschluss K.21 Außenluft eingesogen. Mit der anderen Pneumatik-Zylinder-Gruppe, die mit den zu befüllenden Hydraulik-Zylindern gekoppelt sind, werden die Gasflaschen verbunden. Die Pneumatik-Zylinder dieser Seite komprimieren in der Folge der Pumparbeit der Axialkolbenmaschine K.17 das Gas in den Druckgasflaschen K.1a-K.1 d. Sind die Hydraulik-Zylinder dieser Seite gefüllt, ermöglicht die Ventilsteuerung der Steuer-Absperrventile K.2 - K.5 das Verbinden der Druckgasflaschen K.1 a-K.1 d mit den Pneumatik-Zylindern der anderen Einheit und der zweite Zyklus beginnt von vorne.
Der Energiespeicher ist vollständig beladen, wenn der Druck in den Druckgasflaschen K.1 a-1 d einen bestimmten Maximaldruck (bis zu 350 bzw. 500 bar) erreicht. Je höher die Ausspeicherdauer der geforderten Anwendung ist, desto mehr Druckgasflaschen werden eingesetzt und desto mehr Zyklen werden durchlaufen. Bei der Ausspeicherung werden die Druckgasflaschen stets auf die Seite mit den vollen Hydraulik-Zylindern und dementsprechend leeren Pneumatik-Zylindern geschaltet, sodass sich die Funktionsweise umkehrt und die Axialkolbenmaschine K.17 den Differenzdruck der Druckgasflaschen zum Atmosphärendruck für den Antrieb der elektrischen Maschine K.14 nutzen kann. Die Figur 5 zeigt bespielhaft eine der Hydraulikzylinder/Pneumatikzylinder-Anordnun- gen aus Figur 4. Ähnlich wie der Kolbenspeicher ist der einfachwirkende Pneumatik- Zylinder E.8 mit Kühlrippen E.5, PCM E.6 und Wärmeisolation E.7 versehen, der einfachwirkende Hydraulik-Zylinder E.9 nicht.
Die Gasflaschen bilden zusammen mit dem eingesetzten PCM und der Wärmeisolierung die für beide Konzepte einheitlich einsetzbare Druckgas-Speichereinheit. Die Figur 6 zeigt die vereinfachte Schnittansicht einer Gasflasche von der Seite und eines Gasflaschen-Bündels von oben.
Die Gasflaschen E.3, z.B. mit einem Volumen von jeweils 50 bis 400 I, werden in der geforderten Stückzahl beschafft, mit den Kühlstrukturen E.5 versehen und in einem Gestell, z.B. aus Stahl und/oder Aluminium, aufgestellt, in dem mehrere Gasflaschen untergebracht werden können. Bei herkömmlichen Bündel-Gestellen ist der Platz zwischen den Gasflaschen nicht ausreichend, um dort Kühlrippen und die erforderliche Menge an PCM unterzubringen. Je nach Kapazitätsanforderung des Kunden wird die Anzahl der Gasflaschen-Bündel bestimmt. Nachdem die Gasflaschen mit Kühlrippen im Gestell platziert sind, wird das PCM E.6 in die Hohlräume gegeben. Gleichzeitig wird das Gestell erwärmt, sodass das PCM schmilzt und die Hohlräume vollständig ausgenutzt werden. Abschließend wird eine Wärmeisolierung E.7 aus z.B. Schaumstoff, Styropor, wenige Zentimeter, rund um das Gestell realisiert.
Sowohl mit dem Leistungs- als auch mit dem Kapazitätskonzept kann mit der in Figur 7 dargestellten Druckgas-Speichereinheit industrielle Abwärme genutzt werden. Die Figur 7 zeigt die vereinfachte Schnittansicht einer Gasflasche von der Seite und eines Gasflaschen-Bündels von oben. Anstelle der Kühlrippen werden die Gasflaschen E.3 mit einer quaderförmigen und gut wärmeleitfähigen Wasserleitung umwickelt E.2, deren Enden mit einem Vorlaulaufanschluss E.1 und Rücklaulaufanschluss E.4 des Gestells verbunden werden. Als Alternative kann das wärmeführende Wasser die Gasflaschen direkt umgeben und bei Unterschreiten einer bestimmten Temperatur abgeleitet und durch neues, wärmeführendes Wasser ersetzt werden.
Auch hier wird das Gestell abschließend mit Isolationsmaterial E.7 umgeben. Das warme Wasser der industriellen Abwärme fließt in den Verlauf, um die Gasflaschen herum, erwärmt diese, erhöht dadurch den Gastdruck darin und fließt kälter aus dem Rücklauf wieder heraus.
Je nach Kunden-Anforderungen kann die Druckgas-Speichereinheit des ganzen Energiespeichersystems aus einer oder mehreren Einheiten gemäß Figur 6, aus einer oder mehreren Einheiten gemäß Figur 7 oder gemischt aus Einheiten gemäß Figur 6 und 7 bestehen, die, gemeinsam oder getrennt, in Containern untergebracht werden können.
Der Container der Druckgas-Speichereinheit kann von innen isoliert und mit einem Druckgasanschluss für die Verbindung mit dem Container versehen werden, in dem die Leistungseinheit des Energiespeichersystems untergebracht wird. Je nach Nutzung industrieller Abwärme muss natürlich auch am Container der Vor- und Rücklaufanschluss vorgesehen werden, bei denen die einzelnen Vor- und Rücklaufanschlüsse der Abwärme-Kapazitätseinheiten zusammengeschaltet werden.
Die Figur 8 zeigt eine dritte Ausführungsform eines Energiespeichersystems, das ähnlich wie die Ausführungsform der Figur 4 als offenes System ausgebildet ist. Zur Erhöhung der Effizienz beim Einspeichern von Druckgas aus der Atmosphäre oder beim Ausspeichern von Druckgas aus dem Druckgas-Kreis in die Atmosphäre ist auf der Ansaugseite dem Luftfilter K.23 eine Kompressionsmaschine K.22 nachgeordnet. Durch die Kompressionsmaschine K.22 wird die aus der Atmosphäre angesaugte Luft bereits vorkomprimiert in den Druckgas-Kreis eingespeist. Auf diese Weise kann ein mehrstufiger Prozess beim Einspeichern elektrischer Energie in das Energiespeichersystem realisiert werden. Die Kompressionsmaschine K.22 kann über das Ventil K.2 mit dem Pneumatikzylinder K.7a verbunden werden. Durch Schalten des Ventils K.3 kann zudem eine Verbindung zum Pneumatikzylinder K.9a hergestellt werden. Des Weiteren kann über das Ventil K.5 eine Verbindung zu der Druckgas-Speichereinheit K.1 a-K.1d hergestellt werden.
Analog dazu kann Druckgas aus dem Druckgas-Kreis in die Atmosphäre in einem zweistufigen Prozess abgegeben werden. Hierzu ist eine Expansionsmaschine K.27 vorhanden, die über ein Ventil K.4 mit dem Druckgas-Kreis verbunden werden kann. Durch die Expansionsmaschine K.27 kann zusätzliche Energie beim Auslassen des Druckgases in die Atmosphäre zurückgewonnen werden. In der Ausführungsform der Figur 8 wird, ähnlich wie bei Figur 4, eine Gestaltung des zweiten Energiewandlers in Form von jeweiligen Hydraulikzylindern, die mit einem ihnen jeweils zugeordneten Pneumatikzylinder mechanisch gekoppelt sind, realisiert. In der Figur 8 wird eine Ausführungsform dieser gekoppelten Zylinder dahingehend vorgeschlagen, dass diese unmittelbar mit ihren Gehäusen mechanisch gekoppelt sind, z.B. indem sie aneinander geflanscht sind. Anhand der Figur 9 wird nachfolgend auf die weiteren Details einer solchen Ausführungsform eingegangen. Die Zylinder K.7a, K.8a und/oder die Zylinder K.9a, K.10a können entsprechend der Ausführungsform der Figur 9 gestaltet sein, oder auf andere Weise, wie z.B. anhand der zuvor erläuterten Ausführungsbeispiele beschrieben ist.
Die jeweiligen nicht mit Hydraulikmedium zu befüllenden Kolbenräume der Hydraulikzylinder K.8a, K.10a sind mit einem Vorratsspeicher K.29 verbunden sind. Im Vorratsspeicher K.29 ist ein inertes Gas gespeichert. Die jeweiligen nicht mit Druckgas zu befüllenden Kolbenräume der Pneumatikzylinder K.7a, K.9a sind mit einem Vorratsspeicher K.28 verbunden sind. Im Vorratsspeicher K.28 ist eine nicht brennbare Flüssigkeit gespeichert.
Wie bei dem Leistungskonzept kann bei der Energie-Einspeicherung elektrische Überschussenergie für den Antrieb der elektrischen Maschine K.14 genutzt werden, die mit der Axialkolbenmaschine K.17 gekoppelt ist. Diese wandelt die mechanische Leistung in hydraulische Leistung um und pumpt das Arbeitsfluid (z.B. Hydraulik-Öl) von mindestens einem parallel geschalteten Hydraulik-Zylinder K.8a in die zweite Gruppe eines parallel geschalteter Hydraulik-Zylinder K.10a. Jeder Hydraulik-Zylinder ist mit einem Pneumatik-Zylinder K.7a, K.9a starr verbunden.
Ein Belade-Zyklus beginnt mit dem Pneumatik-Zylinder K.7a gefüllt mit Druckgas auf Vordruck des Kompressors K.22. Die hydraulische Leistung wird im ersten Teilzyklus genutzt, um das Druckgas in den parallel geschalteten Pneumatikzylinder K.9a zu pressen. Bei diesem Vorgang kann mit Hilfe des Wärmetauschers K.26 dem Druckgas Wärme entnommen werden. Das Arbeitsfluid wird aus dem Kolben K.10a gedrückt und über die Axialkolbenmaschine in den Hydraulik-Zylindern K.8a gepumpt. Das Gasvolumen des Pneumatikzylinders K.9a ist kleiner als das Gasvolumen des Pneumatikzylinders K.7a, weshalb es zu einer Gasverdichtung kommt. Im nächsten Teilzyklus befüllt der Kompressor K.22 den Pneumatikzylinder K.7a mit Druckgas, dabei wird das Arbeitsfluid aus dem Hydraulikkolben gedrückt. Die Axialkolbenmaschine befördert das Arbeitsfluid in den Hydraulikzylinder K.10a, dabei wird das Druckgas im Pneumatikzylinder K.9a komprimiert und in die Gasflaschen K.1a-1 d gedrückt. Der erste Beladezyklus ist nach diesen Vorgängen abgeschlossen und ein weiterer Belade-Zyklus kann beginnen.
Der Energiespeicher ist vollständig beladen, wenn der Druck in den Druckgasflaschen K.1 a-1 d einen bestimmten Maximaldruck (bis zu 350 bzw. 500 bar) erreicht. Je hoher die Einspeicherdauer der geforderten Anwendung ist, desto mehr Druckgasflaschen werden eingesetzt und desto mehr Zyklen werden durchlaufen.
Ein Entlade-Zyklus beginnt mit dem Pneumatik-Zylinder K.9a mit minimalem Gasvolumen und dem mit ihm starr verbundenen Hydraulik-Zylinder K.10a, der vollständig mit der Hydraulik-Flüssigkeit gefüllt ist. Der Pneumatik-Zylinder K.7a hat ein maximales, unter Druck stehendes Gasvolumen. Der erste Teilzyklus beginnt mit der Aufschaltung der Gasflaschen K.1a-1 d auf den Pneumatikzylinder K.9a. Durch das Ventil K.5 kann der Enddruck von Pneumatikzylinder K.9a eingestellt werden. Durch den anliegenden Gasdruck wird das Arbeitsfluid aus dem Hydraulik-Zylinder K.10a gedrückt und über den Hydromotor K.17 entspannt und in den Hydraulik-Zylinder K.8a befördert. Dabei wird das Druckgas in K.7a über die Turbine K.27a entspannt. Der zweite Teilzyklus beginnt mit der Aufschaltung des Pneumatikzylinder K.9a auf den Pneumatikzylinder K.7a durch das Ventil K.3. Bei diesem Vorgang kann mit Hilfe des Wärmetauschers K.26 dem Druckgas Wärme hinzugefügt werden. Durch die unterschiedlich großen Kolben-Flächen der Zylinder K.7a und K.8a sowie der Zylinder K.9a und K.10a wird eine Druck-Übersetzung realisiert, die zu einer Druckdifferenz und dementsprechend zu einer mechanischen Leistung am Hydromotor K.17 führt. Durch die elektrische Maschine K.14 wird die mechanische Leistung in elektrische Leistung umgewandelt und über die Komponenten K.12 und K.11 dem Anschlusspunkt wieder zur Verfügung gestellt.
In der Figur 9 ist eine vorteilhafte Ausführungsform eines zweiten Energiewandlers in Form von direkt mechanisch gekoppelten Zylindern K.7a, K.8a dargestellt. Der Hydraulikzylinder K.8a weist ein Gehäuse 1 auf, in dem ein Kolben 5 längsbeweglich ge- lagert ist. Der Kolben 5 teilt den Innenraum des Gehäuses 1 in einen ersten Kolbenraum 3 und einen zweiten Kolbenraum 4 auf. Je nach Stellung des Kolbens 5 wird die Größe der Kolbenräume 3, 4 verändert.
Der Pneumatikzylinder K.7a weist ein Gehäuse 7 auf, in dem ein Kolben 11 längsbe- weglich gelagert ist. Der Kolben 11 teilt den Innenraum des Gehäuses 7 in einen ersten Kolbenraum 9 und einen zweiten Kolbenraum 10 auf. Je nach Stellung des Kolbens 11 wird die Größe der Kolbenräume 9, 10 verändert. Je nachdem, ob und in welcher Größenordnung eine Druckübersetzung gewünscht ist, können die wirksamen Kolbenflächen der Kolben 5 und 11 gleich groß oder unterschiedlich sein. Beispielsweise kann die Kolbenfläche des Kolbens 5 größer oder kleiner als die Kolbenfläche des Kolbens 11 sein.
Die Gehäuse 1 , 7 der Zylinder K.7a, K.8a sind über Flansche 2, 8 miteinander verbunden. Der Kolben 5 ist über eine durchgehende Kolbenstange 6, 12 mit dem Kolben 11 verbunden. Der erste Kolbenraum 3 dient als Aufnahmeraum für das Hydraulikmedium, z.B. Öl. Der erste Kolbenraum 9 des Pneumatikzylinders K.7a dient als Aufnahmeraum für das Druckgas, z.B. Luft aus der Atmosphäre. Der zweite Kolbenraum 4 des Hydraulikzylinders K.8a ist mit dem Vorratsbehälter K.29 verbunden. In den zweiten Kolbenraum 4 des Hydraulikzylinders K.8a wird je nach Stellung des Kolbens 5 aus dem Vorratsbehälter K.29 mehr oder weniger viel inertes Gas eingespeichert. Der zweite Kolbenraum 12 des Pneumatikzylinders K.7a ist mit dem Vorratsbehälter K.28 verbunden. In den zweiten Kolbenraum 12 des Pneumatikzylinders K.7a wird je nach Stellung des Kolbens 11 aus dem Vorratsbehälter K.28 mehr oder weniger viel nicht brennbare Flüssigkeit eingespeichert.

Claims

Patentansprüche
1 . Elektrisches Energiespeichersystem zur Ein- und Ausspeicherung elektrischer Energie mit wenigstens den folgenden Komponenten: a) eine elektrische Anschlusseinheit zum Anschluss des Energiespeichersystems an ein elektrisches Energieversorgungsnetz, b) ein erster Energiewandler, der mit der elektrischen Anschlusseinheit elektrisch verbunden ist und zur Umwandlung von über das Energieversorgungsnetz zugeführter elektrischer Energie in hydraulische Energie eingerichtet ist, die über ein im Energiespeichersystem befindliches Hydraulikmedium bereitgestellt wird, c) ein zweiter Energiewandler, der mit dem ersten Energiewandler hydraulisch verbunden ist und zur Umwandlung der vom ersten Energiewandler bereitgestellten hydraulischen Energie in Gasdruck-Energie eingerichtet ist, die über ein im Energiespeichersystem befindliches Druckgas bereitgestellt wird, d) eine Druckgas-Speichereinheit, die über eine Druckgas-Verbindung mit dem zweiten Energiewandler verbunden ist und zur Speicherung der vom zweiten Energiewandler bereitgestellten Gasdruck-Energie in Form komprimierten Druckgases eingerichtet ist, gekennzeichnet durch eines, mehrere oder alle der folgenden Merkmale e), f), g): e) wenigstens ein Teil des zweiten Energiewandlers und/oder der Druckgas- Speichereinheit weist ein Phasenwechselspeichermedium auf, in dem beim Komprimieren des Druckgases entstehende Kompressionswärme speicherbar ist, f) der zweite Energiewandler weist wenigstens einen Kolbenraum auf, in dem ein Trennkolben beweglich gelagert ist, wobei durch den Trennkolben das Druckgas vom Hydraulikmedium getrennt ist, wobei der Trennkolben ein Basismaterial und ein Wärmeisolationsmatenal aufweist, das eine geringere Wärmeleitfähigkeit hat als das Basismaterial, wobei durch das Wärmeisolationsmaterial eine Wärmeisolationsschicht zwischen dem Druckgas und dem Hydraulikmedium gebildet ist, g) der zweite Energiewandler weist wenigstens einen Hydraulikzylinder und einen vom Hydraulikzylinder separaten, mit dem Hydraulikzylinder mechanisch gekoppelten Pneumatikzylinder auf. Elektrisches Energiespeichersystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Phasenwechselspeichermediums an einer Außenseite wenigstens eines Teils des zweiten Energiewandlers und/oder der Druckgas-Speichereinheit angeordnet ist, an der Kühlrippen und/oder sonstige Kühlstrukturen angeordnet sind. Elektrisches Energiespeichersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippen und/oder sonstige Kühlstrukturen mit einer wärmeisolierenden Materialschicht abgedeckt sind und das Phasenwechselspeichermedium in den zwischen der wärmeisolierenden Materialschicht, den Kühlrippen und/oder sonstige Kühlstrukturen und der Außenseite wenigstens eines Teils des zweiten Energiewandlers und/oder der Druckgas-Speichereinheit verbleibenden Hohlräumen angeordnet ist. Elektrisches Energiespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Phasenwechselspeichermedium gespeicherte Kompressionswärme dem Druckgas bei der Expansion des Druckgases und/oder bei der Ausspeicherung aus der Druckgas- Speichereinheit wieder zuführbar ist. Elektrisches Energiespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiespeichersystem ohne Wärmetauscher im Bereich des zweiten Energiewandlers ausgebildet ist. Elektrisches Energiespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Energiewandler als bidirektionaler Energiewandler ausgebildet ist, durch den wahlweise zugeführte elektrische Energie in hydraulische Energie unwandelbar oder hydraulische Energie in aus dem Energiespeichersystem auszuspeichernde elektrische Energie unwandelbar ist.
7. Elektrisches Energiespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Energiewandler als bidirektionaler Energiewandler ausgebildet ist, durch den wahlweise zugeführte hydraulische Energie in Gasdruck-Energie unwandelbar oder aus der Druckgas- Speichereinheit auszuspeichernde Gasdruck-Energie in hydraulische Energie unwandelbar ist.
8. Elektrisches Energiespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Energiewandler mit einem Hydraulik-System verbunden ist, das einen Tank hat, in dem ein Vorrat an Hydraulikmedium gespeichert ist.
9. Elektrisches Energiespeichersystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Tank über eine Hydraulikpumpe und einen Filter hydraulisch mit dem zweiten Energiewandler gekoppelt ist.
10. Elektrisches Energiespeichersystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass um den Tank herum und/oder im Bereich des ersten Energiewandlers ein Phasenwechselspeichermedium angeordnet ist.
11 . Elektrisches Energiespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Energiewandler als Einhub- System ausgebildet ist, bei dem die maximale Einspeicherkapazität durch das verfügbare Aufnahmevolumen des zweiten Energiewandlers für das Hydraulikmedium begrenzt ist.
12. Elektrisches Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Energiewandler als zyklisch betriebenes Wechselhub-System ausgebildet ist, bei dem zumindest bei der Einspeicherung elektrischer Energie in das Energiespeichersystem das Hydraulikmedium zyklisch zwischen einem ersten und mindestens einem zweiten Kolbenspeicher des zweiten Energiewandlers hin- und her gefördert wird. Elektrisches Energiespeichersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere oder alle Komponenten des Energiespeichersystems in einem Gehäuse untergebracht sind, das einem Frachtcontainer gemäß ISO 668 entspricht, insbesondere einem 20-Fuß- oder 40- Fuß-Frachtcontainer. Verfahren zur Ein- und Ausspeicherung elektrischer Energie mittels eines Energiespeichersystems mit wenigstens den folgenden Komponenten: a) eine elektrische Anschlusseinheit zum Anschluss des Energiespeichersystems an ein elektrisches Energieversorgungsnetz, b) ein erster Energiewandler, der mit der elektrischen Anschlusseinheit elektrisch verbunden ist und zur Umwandlung von über das Energieversorgungsnetz zugeführter elektrischer Energie in hydraulische Energie eingerichtet ist, die über ein im Energiespeichersystem befindliches Hydraulikmedium bereitgestellt wird, c) ein zweiter Energiewandler, der mit dem ersten Energiewandler hydraulisch verbunden ist und zur Umwandlung der vom ersten Energiewandler bereitgestellten hydraulischen Energie in Gasdruck-Energie eingerichtet ist, die über ein im Energiespeichersystem befindliches Druckgas bereitgestellt wird, d) eine Druckgas-Speichereinheit, die über eine Druckgas-Verbindung mit dem zweiten Energiewandler verbunden ist und zur Speicherung der vom zweiten Energiewandler bereitgestellten Gasdruck-Energie in Form komprimierten Druckgases eingerichtet ist, mit den Verfahrensschritten: i) Einspeicherung elektrischer Energie in das Energiespeichersystem durch Umwandeln der elektrischen Energie über den ersten Energiewandler in hydraulische Energie und der hydraulischen Energie über den zweiten Energiewandler in Gasdruck-Energie und Speichern der Gasdruck-Energie in Form komprimierten Druckgases in der Druckgas-Speichereinheit, j) Ausspeicherung elektrischer Energie aus dem Energiespeichersystem durch Dekomprimieren von in der Druckgas-Speichereinheit gespeichertem komprimierten Druckgas und Erzeugen hydraulischer Energie daraus über den zweiten Energiewandler oder einen weiteren zweiten Energiewandler, 32 und Umwandeln der hydraulischen Energie über den ersten Energiewandler oder einen weiteren ersten Energiewandler in elektrische Energie und abgeben der elektrischen Energie an das elektrische Energieversorgungsnetz oder einen sonstigen elektrischen Verbraucher, gekennzeichnet durch einen, mehrere oder alle der folgenden Verfahrensschritte k), I), m): k) dem Energiespeichersystem wird als weiterer Energieträger Wärmeenergie in Form industrieller Abwärme und/oder Wärme aus Sonnenkollektoren zugeführt, wobei im Energiespeichersystem durch die Wärmeenergie das in der Druckgas-Speichereinheit befindliche Druckgas erwärmt wird, l) der Druckgas-Kreis des zweiten Energiewandlers ist über wenigstens ein Ventil mit der umgebenden Atmosphäre verbindbar, wobei bei der Ausspeicherung elektrischer Energie aus dem Energiespeichersystem das Ventil zyklisch geöffnet und geschlossen wird, wobei das Ventil in einem jeweiligen Zyklus geschlossen wird, bevor in ein bestimmter Druckwert des Gasdrucks im Druckgas-Kreis des zweiten Energiewandlers erreicht ist, der oberhalb des Atmosphärendrucks liegt, m) die Druckgas-Speichereinheit ist über wenigstens ein Ventil mit dem Druckgas-Kreis des zweiten Energiewandlers verbindbar, wobei mit wenigstens einem Rückschlagventil und/oder einem Wegeventil die Druckgasleitung zyklisch geöffnet oder geschlossen wird, wobei das Rückschlagventil und/oder Wegeventil in einem jeweiligen Zyklus geöffnet oder geschlossen wird, bevor in ein bestimmter Druckwert des Gasdrucks im Druckgas-Kreis des zweiten Energiewandlers erreicht ist, der oberhalb des Atmosphärendrucks liegt, n) der erste Energiewandler weist einen Hydromotor mit verstellbarem Hubraum auf, wobei eine Drehzahlregelung und/oder eine Leistungsregelung durch Hubraum-Verstellung des Hydromotors durchgeführt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiespeichersystem ein Energiespeichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13 ist.
16. Computerprogramm mit Programmcodemitteln, eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 14 oder 15, wenn das Computerprogramm auf 33 einem Rechner einer Steuereinheit des Energiespeichersystems ausgeführt wird.
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